Johtaa sekä sähköä että energiaa täydellisesti

Tuplakerros lomittuneita suprajohteita

Kuvassa vasemmalta: Shiva Safaei, David Mazziotti ja LeeAnn Sager keskustelevat havainnostaan, että aineen kaksoistila sekä fermion- että eksitonikondensaattien kanssa voi olla olemassa.

Kolme Chicagon yliopiston tutkijaa ovat tehneet laskelmia ja he uskovat, että voi olla tapa valmistaa materiaali, joka johtaisi sekä sähköä että energiaa sataprosenttisen tehokkaasti - menettämättä mitään lämpönä tai kitkana.

Physical Review B -lehdessä julkaistu läpimurto ehdottaa puitteita täysin uudentyyppiselle aineelle, jolla voisi olla erittäin hyödyllisiä teknisiä sovelluksia todellisessa maailmassa. Vaikka ennuste perustuu teoriaan, yritetään sitä jatkossa testata kokeellisesti.

"Alkuun yritimme vastata todelliseen peruskysymykseen nähdäksemme, oliko se edes mahdollista - ajattelimme näiden kahden ominaisuuden olevan yhteensopimattomia yhdessä materiaalissa", kertoi kemian professori ja molekyylielektronisen rakenteen asiantuntija David Mazziotti.

"Mutta yllätykseksemme havaitsimme, että nämä kaksi tilaa tulevat todella lomittuneiksi kvanttitasolla ja vahvistavat siten toisiaan."

Koska voimalinjoista, moottoreista ja koneista menetetään joka vuosi huomattavasti energiaa, tutkijat etsivät innokkaasti vaihtoehtoja. "Tämä on monella tapaa 2000-luvun tärkein kysymys - kuinka tuottaa ja siirtää energiaa pienin häviöin", toteaa Mazziotti.

Olemme olleet tietoisia suprajohteista yli vuosisadan ajan. Mutta vasta muutaman viime vuoden aikana tutkijat ovat onnistuneet valmistamaan laboratoriossa vastaavanlaisen materiaalin, joka voi johtaa energiaa lähes nollahäviöllä, ja sitä kutsutaan eksitonikondensaatiksi.

Mutta sekä suprajohteet että eksitonikondensaatit ovat hankalia materiaaleja valmistuksen ja toiminnan kannalta - osittain siksi, että tutkijat eivät täysin ymmärrä niiden toimintaa ja niiden takana oleva teoria on epätäydellinen. Tiedämme kuitenkin, että molemmat liittyvät kvanttifysiikan toimintaan.

UChicagon jatko-opiskelija LeeAnn Sager alkoi ihmetellä, kuinka nämä kaksi tilaa voitaisiin luoda samasta materiaalista. Mazziottin ryhmä on erikoistunut tutkimaan materiaalien ja kemikaalien ominaisuuksia ja rakenteita laskentaa käyttämällä, joten hän aloitti yhdistämällä erilaisia yhdistelmiä tietokonemalliin. "Tutkimme monia mahdollisuuksia ja löysimme yllätykseksi alueen, jolla molemmat tilat voisivat olla yhdessä", toteaa Sager.

Näyttää siltä, että sopivassa kokoonpanossa nämä kaksi tilaa todella lomittuvat - kvantti-ilmiö, jossa järjestelmät kytkeytyvät aineettomasti toisiinsa. Tämä haastaa tavanomaisen käsityksen, että nämä kaksi tilaa eivät ole toisiinsa liittyviä ja voi siten avata uuden tutkimuskentän eksitonien ja fermioniparien kondensaateista.

Edistynyttä matematiikkaa käyttämällä he osoittivat, että kvanttilomittumisen ansiosta kaksoiskondensaattien tulisi teoreettisesti olla olemassa jopa makroskooppisessa koossa.

Tutkijat työskentelevät nyt kokeellisten ryhmien kanssa nähdäkseen, voidaanko ennustus saavuttaa oikeissa materiaaleissa. "Tämä tarkoittaa, että tällaiset kondensaatit voisivat olla toteutettavissa uusissa materiaaleissa, kuten kaksoiskerroksessa suprajohteissa", selventää Sager.

"Suprajohtavuuden ja eksitonikondensaattien yhdistäminen olisi hämmästyttävää monille sovelluksille - elektroniikka, spintroniikka, kvanttilaskenta", kommentoi tutkijatohtori Shiva Safaei. "Vaikka tämä on ensimmäinen askel, se näyttää erittäin lupaavalta."

Aiheesta enemmän:

Exciton condensation breaks new temperature record

Evidence of high-temperature exciton condensation in two-dimensional atomic double layers