Kvanttiaineen ytimen geometria

Kuinka dataa voidaan käsitellä salamannopeasti tai sähköä johtaa häviöttömästi? Tämän saavuttamiseksi sekä tiedemiehet että teollisuus kääntyvät kvanttimateriaalien puoleen, joita hallitsevat äärettömän pienen lait.

Tällaisten materiaalien suunnittelu vaatii yksityiskohtaista ymmärrystä atomi-ilmiöistä, joista suuri osa on vielä tutkimatta. Geneven yliopiston (UNIGE) tiimi on yhteistyössä Salernon yliopiston ja CNR-SPIN-instituutin (Italia) kanssa ottanut merkittävän askeleen eteenpäin paljastamalla piilevän geometrian – tähän asti puhtaasti teoreettisen – joka vääristää elektronien lentoratoja paljolti samalla tavalla kuin painovoima taivuttaa valon kulkua.

Tämä Science- lehdessä julkaistu työ avaa uusia mahdollisuuksia kvanttielektroniikalle.

Tulevaisuuden teknologiat perustuvat ennennäkemättömien ominaisuuksien omaaviin, kvanttifysiikkaan perustuviin, korkean suorituskyvyn materiaaleihin. Tämän vallankumouksen ytimessä on aineen tutkimus mikroskooppisessa mittakaavassa – kvanttifysiikan ydin. Viime vuosisadalla materiaalien atomien, elektronien ja fotonien tutkiminen johti transistoreiden ja lopulta modernin tietojenkäsittelyn syntyyn.

Nämä löydöt avaavat uusia mahdollisuuksia kvanttigeometrian tutkimiseen ja hyödyntämiseen monenlaisissa materiaaleissa.

Uusia kvantti-ilmiöitä, jotka uhmaavat vakiintuneita malleja, löydetään edelleen. Viimeaikaiset tutkimukset viittaavat geometrian mahdolliseen syntymiseen tietyissä materiaaleissa, kun havainnoidaan suuria määriä hiukkasia. Tämä geometria näyttää vääristävän elektronien lentoratoja näissä materiaaleissa – aivan kuten Einsteinin painovoima taivuttaa valon kulkua.

Kvanttimetriikkana tunnettu geometria heijastaa kvanttiavaruuden kaarevuutta, jossa elektronit liikkuvat. Sillä on ratkaiseva rooli monissa ilmiöissä aineen mikroskooppisella tasolla. Sen läsnäolon ja vaikutusten havaitseminen on kuitenkin edelleen suuri haaste.

Viimeaikaisen työn ansiosta UNIGE-tutkijan johtama tiimi on yhteistyössä Salernon yliopiston fysiikan laitoksen apulaisprofessorin Carmine Ortixin kanssa havainnut kvanttimetriikkaa kahden oksidin – strontiumtitanaatin ja lantaanialuminaatin – rajapinnalla.

Kyseessä on tunnettu kvanttimateriaali. ”Sen läsnäolo voidaan paljastaa tarkkailemalla, miten elektronien radat vääristyvät kvanttimetriikan ja kiinteille aineille kohdistettujen voimakkaiden magneettikenttien yhteisvaikutuksessa”, selittää Giacomo Sala, UNIGE:n luonnontieteellisen tiedekunnan kvanttifysiikan laitoksen tutkija ja tutkimuksen päätekijä.

Tämän ilmiön havaitseminen mahdollistaa materiaalin optisten, elektronisten ja kuljetusominaisuuksien karakterisoinnin suuremmalla tarkkuudella. Tutkimusryhmä osoittaa myös, että kvanttimetriikka on monien materiaalien sisäinen ominaisuus – toisin kuin aiemmin oletettiin.

”Nämä löydöt avaavat uusia mahdollisuuksia kvanttigeometrian tutkimiseen ja hyödyntämiseen monenlaisissa materiaaleissa, ja niillä on merkittäviä vaikutuksia tulevaisuuden terahertsitaajuuksilla toimivalle elektroniikalle sekä suprajohtavuudelle ja valon ja aineen vuorovaikutukselle”, professori Andrea Caviglia toteaa.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttimateriaalien veistelyä

Kvanttimateriaali lupaa uutta puhtia aurinkokennoille

Valo valtaa alaa magnetismissa