Kwantowa centrala w atomowej skali
Podstawę sukcesu stanowi innowacyjna konstrukcja przypominająca miniaturową centralę telefoniczną, tyle że działającą w skali kwantowej. Zespół pod kierownictwem Sauliusa Vaitiekenasa z Instytutu Nielsa Bohra zbudował system złożony z mikroskopijnych wysp nadprzewodzących połączonych w precyzyjną sieć. Naukowcy wyposażyli swoje urządzenie w coś w rodzaju „pokrętła napięcia”. Jest to mechanizm podobny do tranzystora, który umożliwia dokładne regulowanie komunikacji między poszczególnymi wyspami. Takie rozwiązanie pozwala na dynamiczne „przeprogramowywanie” sposobu przepływu prądu w czasie rzeczywistym. Dotychczasowe teorie zakładały bezpośrednie przejście ze stanu nadprzewodzącego do izolującego. Tymczasem badacze zaobserwowali coś zupełnie niespodziewanego: stan pośredni, w którym wyspy nadal komunikują się ze sobą, ale bez zachowania właściwości nadprzewodzących.
Czytaj też: Defekty, które czynią cuda. Grafen staje się dzięki nim materiałem nie z tej Ziemi
Przyczyna powstania tego niezwykłego stanu tkwi w fundamentalnych prawach mechaniki kwantowej. Jak wyjaśnia Saulius Vaitiekenas:
Nasze badanie rzuca więcej światła na ten stan, wskazując, że to fluktuacje kwantowe lub, precyzyjniej, niepewność między fazą nadprzewodzącą między wyspami a liczbą cząstek w wyspach w naszej próbce, prowadzi do tego zachowania – opisuje Vaitiekenas
Anomalny metal stanowi prawdziwy paradoks fizyczny. Ten stan materii przewodzi prąd elektryczny jak zwykły metal, lecz jednocześnie opiera się zarówno całkowitej blokadzie charakterystycznej dla izolatora, jak i idealnemu przepływowi typowemu dla nadprzewodnika. Co więcej, właściwości te utrzymują się nawet w temperaturach bliskich zeru absolutnemu. To zjawisko fascynuje fizyków od lat, ponieważ wydaje się łamać podstawowe zasady dotyczące przewodnictwa elektrycznego w ekstremalnie niskich temperaturach.
Elektronika przyszłości
Odkrycie może mieć znaczące konsekwencje dla rozwoju technologii. Możliwość kontrolowania i „dostrajania” anomalnego stanu metalicznego na żądanie otwiera nowe perspektywy projektowania urządzeń elektronicznych. Jak podkreśla Vaitiekenas, badanie to stanowi element większej układanki:
Zrozumienie takich kwantowych przejść fazowych jest jak układanie dużej układanki. Jeden element naraz może nie ujawnić całego obrazu, ale na dłuższą metę może być krokiem w kierunku elektroniki, która marnuje mniej energii, oraz urządzeń kwantowych, które są bardziej kontrolowalne i niezawodne
Potencjalne zastosowania obejmują energooszczędną elektronikę, stabilniejsze komputery kwantowe oraz precyzyjne symulacje kwantowe. Filip Křížek, jeden ze współautorów badania, podkreśla praktyczne znaczenie odkrycia:
Ta nowatorska koncepcja urządzenia pozwala nam dostroić system do fazy anomalnego metalu, egzotycznego reżimu, w którym prąd płynie bez stania się idealnie bezstratnym lub całkowicie wyłączonym
Badanie ukazało się w czasopiśmie Physical Review Letters i stanowi kolejny krok w kierunku praktycznego wykorzystania egzotycznych stanów materii. Naukowcom udało się przekształcić zagadkowe zjawiska kwantowe w dostępne, kontrolowane narzędzia, które mogą znaleźć zastosowanie w technologiach przyszłości. W ogólnym rozrachunku mówimy natomiast o perspektywie zrozumienia fundamentalnych praw natury i potencjale utworzenia technologii, które dziś trudno nam nawet wyobrazić. Najważniejsze w tym odkryciu jest chyba to, że pokazuje ono, jak zagadkowy pozostaje świat kwantów. Materia w skali atomowej stanowi enigmę dla nawet najbarzdiej doświadczonych fizyków.