Kvanttimateriaalien veistelyä

Tulevaisuuden tarpeita ajatellen tiedemiehet ja teollisuus keskittyvät sellaisten uusien kvanttimateriaalien suunnitteluun, joiden poikkeukselliset ominaisuudet juontavat juurensa kvanttifysiikasta.

Geneven yliopiston (UNIGE) johtama kansainvälinen tiimi, johon kuuluu Salernon, Utrechtin ja Delftin yliopistojen tutkijoita, on suunnitellut materiaalin, jossa elektronien dynamiikkaa voidaan ohjata kaareuttamalla tilallista kudosta, jossa ne kehittyvät. Nämä ominaisuudet kiinnostavat seuraavan sukupolven elektroniikkalaitteita, mukaan lukien tulevaisuuden optoelektroniikka.

Ainutlaatuisten ominaisuuksiensa – erityisesti niitä muodostavien elektronien kollektiivisten reaktioiden – ansiosta näitä kvanttimateriaaleja voidaan käyttää informaatiota kuljettavien signaalien sieppaamiseen, käsittelemiseen ja lähettämiseen uusissa elektronisissa järjestelmissä. Lisäksi ne voivat toimia sähkömagneettisilla taajuusalueilla, joita ei ole vielä tutkittu ja siten avaisivat tien erittäin nopeille viestintäjärjestelmille.

''Yksi kvanttiaineen kiehtovimmista ominaisuuksista on, että elektronit voivat kehittyä kaarevassa tilassa. Voimakentät, jotka johtuvat tästä elektronien asuttaman tilan vääristymisestä, synnyttävät dynamiikkaa, jollaista ei tavanomaisista materiaaleista löydy.

Tämä on erinomainen sovellus kvanttisuperpositiolle,'' selittää Andrea Caviglia, UNIGE:n luonnontieteellisen tiedekunnan kvanttiaineen fysiikan laitoksen professori ja tutkimuksen viimeinen kirjoittaja.

Ensimmäisen teoreettisen tutkimuksen jälkeen tutkijaryhmä suunnitteli materiaalin, jossa tilallisen kudoksen kaarevuus on hallittavissa. ''Olemme suunnitelleet rajapinnan, jossa on erittäin ohut kerros vapaita elektroneja.

Se on kerrostettu strontiumtitanaatin ja lantaanialuminaatin väliin, jotka ovat kaksi eristävää oksidia", sanoo Carmine Ortix, Salernon yliopiston professori. Tämän yhdistelmän avulla voimme saada tiettyjä elektronisia geometrisia konfiguraatioita, joita voidaan ohjata tarpeen mukaan.

Tämän saavuttamiseksi tutkimusryhmä käytti kehittynyttä järjestelmää materiaalien valmistukseen atomimittakaavassa. Laserpulsseja käyttämällä kukin atomikerros pinottiin peräkkäin. "Tämä menetelmä antoi meille mahdollisuuden luoda avaruudessa erityisiä atomiyhdistelmiä, jotka vaikuttavat materiaalin käyttäytymiseen", tutkijat kertovat.

Vaikka teknologian käyttömahdollisuudet ovat vielä kaukana, tämä uusi materiaali avaa uusia mahdollisuuksia erittäin nopeiden sähkömagneettisten signaalien manipuloinnin tutkimiseen. Näitä tuloksia voidaan käyttää myös uusien antureiden kehittämiseen.

Tutkimusryhmän seuraava askel on edelleen tarkkailla, kuinka tämä materiaali reagoi korkeisiin sähkömagneettisiin taajuuksiin, jotta voidaan määrittää tarkemmin sen mahdolliset sovellukset.

Tutkimusraportti: Designing spin and orbital sources of Berry curvature at oxide interfaces

Aiheesta aiemmin:

Kvanttimateriaalit ja terahertsit

Kohti kolmatta ulottuvuutta