Kvanttimateriaaleissa kannattaa harkita kemiaa

Kemia ja fysiikka yhdistävät voimansa Columbian yliopistossa, ja se turhauttaa kaikkia – hyvällä tavalla. Uusi tutkimus kuvaa uuden kaksiulotteisen materiaalin, joka kykenee monimutkaisiin kvanttikäyttäytymisiin, jotka johtuvat sen taustalla olevasta kemiasta eikä sen atomirakenteesta.

”Yliopistolla useat fysiikan ja kemian ryhmät kokoontuivat työskentelemään tämän uuden materiaalin parissa ja löysimme jännittäviä uusia tuloksia elektronien liikkumisesta”, sanoi Aravind Devarakonda, soveltava fyysikko Columbia Engineeringistä.

Materiaali, Pd5AlI2, osoittaa niin sanottua elektronin liikkeen turhautumista. Se on metallinen, ilmassa stabiili ja se voidaan kuoria atominohuiksi kerroksiksi, ja se edustaa yksinkertaista uutta lähtökohtaa litteiden kaistojen etsinnässä. Nämä ovat ainutlaatuisia elektronisia rakenteita, jotka voisivat jonain päivänä johtaa uusiin kvanttiteknologioihin, kuten parempiin suprajohteisiin, harvinaisista maametalleista vapaisiin huoneenlämpötilassa toimiviin magneetteihin ja muuhun.

Työssä löytyi uusi tapa ajatella turhautumista. Frustraatiota tapahtuu, kun materiaalin elektronit eivät löydä vakaata paikkaa asettua toistensa energioiden suhteen.

Pd5AlI2 tuo turhautumista kuvioihin kemiallisten ominaisuuksiensa, ei pelkästään kiderakenteensa, kautta. ”Olemme löytäneet täysin uuden tavan ajatella turhautumista, sellaisen, joka yhdistää kemistien tapaa ajatella kemiallisia sidoksia ja fyysikkojen tapaa ajatella kidehiloja”, sanoo kemisti Xavier Roy, jonka laboratorio valmisti uuden metallin.

Devarakondan havaitsema signaali oli haluttu elektroninen litteä kaista. Litteät kaistat ovat elektronisia rakenteita, jotka pakottavat kaikki elektronit jakamaan saman energian, mikä on luonnostaan epävakaa tilanne, joka voi johtaa epätavallisiin kvanttikäyttäytymisiin, kuten suprajohtavuuteen.

Pd5AlI2 ei kuitenkaan ole aivan halpaa. Niinpä tiimi aikoo ottaa käyttöön tekoälytekniikoita tunnistaakseen nopeammin kiteet, joiden kemiallisissa sidoksissa saattaa piilotella orbitaalinen turhautuminen.

”Mahdollisuus turhautuneeseen hyppyyn orbitaaleista esitettiin teoreettisesti, mutta nyt meillä on konkreettinen esimerkki. Yritämme nyt nähdä, mitkä muut alkuaineiden yhdistelmät voivat yhdessä turhauttaa elektroneja”, Devarakonda täydentää. ”Ihmiset ovat keksineet niin monia malleja vuosikymmenten aikana, mutta nyt voimme käyttää uusia oivalluksiamme hiloista ja orbitaaleista jahdataksemme niitä eri näkökulmasta.”

Aiheesta aiemmin:

Metastabiilia tilaa metsästäen

Kvanttiturhautumista etsien