Melkein kuin uusia materiaaleja

Tiedemiehet ovat oppineet, että he voivat tarkoituksella aiheuttaa symmetrian rikkoutumista – tai symmetrian palauttamista – kvanttipisteissä luodakseen uusia materiaaleja, joilla on ainutlaatuiset ominaisuudet.

Äskettäisessä tutkimuksessa Argonnen kansallisen laboratorion tutkijat ovat havainneet, kuinka valoa voidaan käyttää muuttamaan atomien järjestystä pienikokoisissa rakenteissa.

"Usein oletetaan, että kiderakenne ei oikeastaan muutu, mutta nämä uudet kokeet osoittavat, että rakenne ei ole aina staattinen, kun valo absorboituu." toteaa fyysikko Richard Schaller.

"Kun symmetriat muuttuvat, se voi muuttaa materiaalin ominaisuuksia, ja se on melkein kuin aivan uusi materiaali", Argonn Schaller täsmentää.

Tämän tutkimuksen tulokset ovat tärkeitä nanotieteen ja teknologian kannalta. Mahdollisuus muuttaa kvanttipisteiden symmetriaa pelkillä valopulsseilla antaa tutkijoille mahdollisuuden luoda materiaaleja, joilla on erityisiä ominaisuuksia ja toimintoja.

Brookhaven National Laboratoryn tutkijat ovat puolestaan löytäneet uuden aineen faasin tutkiessaan magneettisen materiaalin mallijärjestelmää.

"Uusien tilojen löytäminen, joilla on eksoottisia fysikaalisia ominaisuuksia - ja kyky ymmärtää ja hallita siirtymiä näiden tilojen välillä - ovat keskeisiä ongelmia kondensoidun aineen fysiikan ja materiaalitieteen aloilla", Yin sanoi.

"Puoliksi jää, puoliksi tuli" -faasin kaksoistilan "puoliksi tuli, puoliksi jää" –faasin löysivät Yin, Tsvelik ja Christopher Roth vuonna 2024 julkaistussa paperissa.

Uudessa työssä Yin ja Tsvelik ovat havainneet, että kyseessä on vastakkainen, piilotettu tila, jossa kuumat ja kylmät spinit vaihtavat asentoa.

Malli paljastaa, että tämä faasien välinen vaihto tapahtuu erittäin kapealla lämpötila-alueella, ja Yin ja Tsvelik ovat jo ehdottaneet mahdollisia tapoja, joilla tätä voitaisiin käyttää tulevissa sovelluksissa.

Esimerkiksi ultraterävä faasinvaihto, jossa on jättimäinen magneettinen entropian muutos, voisi olla hyödyllinen jäähdytystekniikoissa. Ilmiötä voitaisiin käyttää myös perustana uudenlaiselle kvantti-informaation tallennustekniikalle, jossa faasit toimivat bitteinä.

"Seuraavaksi aiomme tutkia tulijää-ilmiötä järjestelmissä, joissa on kvanttispinit ja lisähilan, varauksen ja kiertoradan vapausasteet", Yin sanoi. "Ovi uusiin mahdollisuuksiin on nyt auki."

Tiedemiehet ovat pitkään pyrkineet selvittämään myös outojen metallien mysteereitä – materiaalit, jotka uhmaavat tavanomaisia sähkön ja magnetismin sääntöjä.

Nyt Ricen yliopiston fyysikkoryhmä on tehnyt läpimurron käyttämällä kvanttitietotieteen työkalua. Heidän tutkimuksensa paljastaa, että outojen metallien elektronit lomittuvat enemmän ratkaisevassa käännekohdassa, mikä antaa uutta valoa näiden arvoituksellisten materiaalien käyttäytymiseen.

"Löydöksemme paljastavat, että oudoilla metalleilla on ainutlaatuinen lomittumiskuvio, joka tarjoaa uuden linssin niiden eksoottisen käyttäytymisen ymmärtämiseen", Si sanoi.

Outojen metallien ymmärtäminen on enemmän kuin pelkkä akateeminen haaste; sillä voi olla merkittäviä teknisiä etuja. Näillä materiaaleilla on läheinen yhteys korkean lämpötilan suprajohteisiin.

Aiheista aiemmin:

Sähköisesti kytkettävää kidesymmetriaa ja suprajohtavuutta

Sähköisesti muokattava atomirakenne

Outo metalli on nyt vähemmän outo