Prawie pół wieku potrzeba było, aby teoria została zaobserwowana w rzeczywistości. W najnowszym artykule naukowym zespół fizyków z niemieckiego Uniwersytetu w Hamburgu opisał coś, co można nazwać przełomem w dziedzinie fizyki kwantowej. Po raz pierwszy w historii udało się im bowiem zaobserwować niezwykle rzadki stan materii, znany jako stan Machidy-Shibaty (na cześć Kazushige Machidy i Fumiaki Shibaty). W stanie tym dochodzi do łączenia elektronów w pary w sztucznym atomie znajdującym się na powierzchni nadprzewodnika.
Naukowcy z Niemiec zaobserwowali nowy stan materii
W artykule naukowym opublikowanym 16 sierpnia 2023 r. na łamach periodyku Nature badacze z Uniwersytetu w Hamburgu jako pierwsi ogłosili odkrycie stanu materii, który już w najbliższej przyszłości może znacząco wpłynąć na rozwój nowatorskich nanostrukturalnych komputerów kwantowych oraz innych urządzeń elektronicznych.
Czym tak naprawdę jest stan Machidy-Shibaty?
Elektrony, jak każde cząstki o określonym ładunku elektrycznym (w przypadku elektronu jest on ujemny) odpychają się od siebie. To z kolei wpływa chociażby na opór elektrycznych zbudowanych z nich materiałów. Istnieje jednak pewien dokładnie określony zestaw warunków, których spełnienie prowadzi do sytuacji, w której elektrony, zamiast się od siebie odpychać, łączą się ze sobą w pary i zaczynają zachowywać się jak bozony. Oznacza to tyle, że mogą one znajdować się w tym samym miejscu jednocześnie i poruszać się w tym samym kierunku.
Takie zachowanie elektronów ma pewne określone konsekwencje, okazuje się bowiem, że taki materiał wykazuje nadprzewodnictwo, czyli inaczej mówiąc, przewodzi prąd elektryczny bez absolutnie żadnego oporu. O tym jak wiele nadziei pokłada się w nadprzewodnikach, szczególnie wtedy, gdy w końcu uda się odkryć materiał będący nadprzewodnikiem w temperaturze otoczenia i ciśnieniu standardowym może wskazywać istna gorączka, która opanowała media na przełomie lipca i sierpnia, gdy koreański zespół badaczy ogłosił, że takim materiałem jest wytworzony przez nich LK-99. Wtedy to mówiło się, że nadprzewodnik tego typu byłby w stanie zrewolucjonizować energetykę na świecie, umożliwić tworzenie magnetycznych kolei szybkich prędkości, budowę reaktorów generujących energię w procesie fuzji jądrowej, czy w końcu do budowy nowych narzędzi laboratoryjnych do rezonansu magnetycznego.
W celu wywołania takiego stanu fizycy najpierw wytworzyli kropki kwantowe, czyli tak zwane sztuczne atomy zdolne uwięzić elektrony na małej przestrzeni, z atomów srebra, a następnie połączyli je z nadprzewodnikiem wykonanym z ołowiu. W trakcie ustalania liczby elektronów w poszczególnych sztucznych atomach naukowcy dostrzegli to, czego od dawna szukali, tj. łączenie się elektronów w pary.
Czy to może się do czegoś przydać?
W swojej pracy naukowcy wykazali również, że zaobserwowany przez nich stan Machidy-Shibaty może okazać się przydatny w produkcji kolejnych generacji komputerów kwantowych, bowiem za jego pomocą możliwe będzie dalsze redukowanie szumów w kubitach.
Czytaj także: Chiński komputer kwantowy bije na głowę dotychczas stosowane urządzenia. Jest 180 mln razy szybszy
Co ciekawe, jeden z badaczy, którzy stworzyli teoretyczne podstawy pod to odkrycie w latach siedemdziesiątych Kazushige Machida w reakcji na pracę niemieckich fizyków napisał, że nie sądził, aby odkrycie opisanego przez niego stanu materii było kiedykolwiek możliwe. Jak się jednak okazuje, czas, determinacja i rozwój nauki z czasem sprawiają, że niewykonalne staje się wykonalne.
