Kvanttikomposiitteja sähköisille ja optisille innovaatioille

Ryhmä Kalifornian Riverside yliopiston sähköinsinöörejä ja materiaalitieteilijöitä tekivät tutkimusläpimurron, joka voi johtaa laajaan kehitykseen sähköisissä, optisissa ja tietokonetekniikoissa.

Professorin Alexander Balandinin johtama tutkimusryhmä on osoittanut laboratoriossa uusien materiaalien, joita he kutsuivat kvanttikomposiiteiksi, ainutlaatuisen ja käytännöllisen toiminnan.

Nämä komposiitit koostuvat polymeerimatriisiin ns. "varaustiheysaaltokvanttimateriaalien" pienistä kiteistä. Lämmitettäessä tai valolle altistuessaan niissä tapahtuu faasimuutos, joka johtaa komposiittien epätavalliseen sähköiseen vasteeseen.

Verrattuna muihin kvantti-ilmiöitä esiin tuoviin materiaaleihin Balandinin ryhmän luomilla kvanttikomposiiteilla oli toiminnallisuutta paljon laajemmalla lämpötila-alueella ja niiden kyky varastoida sähköä oli huomattavasti parempi.

Termi kvantti viittaa materiaaleihin ja rakenteisiin, joissa elektronit käyttäytyvät enemmän aaltojen kuin hiukkasten tavoin. Elektronien aaltoluonne voi antaa materiaaleille epätavallisia ominaisuuksia, joita käytetään uuden sukupolven tietokone-, elektroniikka- ja optisissa teknologioissa.

Kvantti-ilmiöitä paljastavia materiaaleja etsitään paitsi kvanttitietokoneiden rakentamiseen myös erittäin herkkiin sensoreihin, joita käytetään erilaisiin elektroniikan ja optiikan sovelluksiin.

"Kvanttimateriaalien ongelmana on, että kvantti-ilmiöt ovat hauraita ja niitä havaitaan tyypillisesti vain erittäin matalissa lämpötiloissa. Myös viat ja epäpuhtaudet tuhoavat elektroniaaltofunktion," Balandin toteaa.

Erityistä on, että kehitetty komposiittimateriaali osoitti toiminnallisuutta jopa 50 ºC huoneenlämpötilan yläpuolella. Tämä avaa mahdollisuuden monenlaisiin kvanttikomposiittisovelluksiin elektroniikassa ja energian varastoinnissa.

Tutkijat havaitsivat myös, että kvanttikomposiiteilla on epätavallisen korkea dielektrisyysvakio – mitta, joka kuvaa materiaalin kykyä varastoida sähköä. Sähköä eristävien komposiittien dielektrisyysvakio kasvoi yli kahdella suuruusluokalla, mikä mahdollistaa pienempiä ja tehokkaampia kondensaattoreita energian varastointiin.

Toinen mahdollinen sovellus kvanttikomposiiteille on heijastava pinnoite. Lämmityksen, valolle altistuksen tai sähkökentän aiheuttamaa dielektrisyysvakion muutosta voidaan käyttää muuttamaan valon heijastusta näillä komposiiteilla päällystetyistä laseista ja ikkunoista.

"Toivomme, että kyvystämme säilyttää kvanttikondensaatin faasit varaustiheysaaltojen materiaalissa jopa epäjärjestyneissä komposiiteissa ja jopa huoneenlämmössä voi tulla pelin vaihtaja moniin sovelluksiin.

Se on käsitteellisesti erilainen lähestymistapa jokapäiväisessä elämässämme käytettävien komposiittien ominaisuuksien virittämiseen”, Balandin lisäsi.

Aiheesta aiemmin:

Magneettinen kvanttimateriaali ja meminduktori

Kvanttimateriaalit ja terahertsit