Kalifornian yliopiston Irvine-kampuksen (UCI) tutkijat ovat löytäneet uuden olomuodon materiaalista, jota on syntetisoitu heidän laboratorioissaan. Tämä läpimurto voi määritellä uudelleen kvanttilaskennan ja avaruuden tutkimuksen rajat ja mahdollistaa tehokkaampien, säteilyn kestävien tietokoneiden kehittämisen, jotka voivat mahdollisesti toimia syvän avaruuden äärimmäisissä olosuhteissa.
Physical Review Letters -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa kuvataan aiemmin havaitsematon kvanttivaihe, jossa elektronit ja niiden kollegat, ns. ”aukot”, yhdistyvät spontaanisti pareiksi muodostaen eksoottisia tiloja, joita kutsutaan eksitoniksi.
Professori Louis A. Hauré, tutkimuksen pääkirjoittaja ja Kalifornian yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitoksen tutkija, selittää, että on epätavallista, että nämä hiukkaset pyörivät samaan suuntaan muodostaen ainutlaatuisen rakenteen. ”Se on kuin vesi, jolla olisi nesteen, jään tai höyryn lisäksi aiemmin tuntematon neljäs olomuoto”, Hauregi sanoo. ”Jos voisimme pitää sitä käsissämme, se säteilisi kirkasta, korkeataajuista valoa.”
Tämän ilmiön aiheuttava materiaali, pentatelluridi, on kehitetty Jin-Yue Li, Hauregin laboratorion tutkija ja artikkelin pääkirjoittaja. Vahvistaakseen tämän kvanttitilan olemassaolon ryhmä altisti yhdisteen erittäin voimakkaille magneettikentille – jopa 70 teslaan, mikä on 700 kertaa enemmän kuin jääkaapin magneetin voimakkuus – Los Alamosin kansallisessa laboratoriossa (LANL) New Mexicossa.
Avain löytöön piilee yllättävässä käyttäytymisessä: magneettikentän vaikutuksesta materiaalin kyky johtaa sähköä heikkenee jyrkästi. Tämä heikkeneminen viittaa materiaalin siirtymiseen uuteen kvanttitilaan, Hauregi toteaa. Fyysikon mukaan tämä ilmiö viittaa siihen, että informaatio voi siirtyä sähkövarauksen sijaan, kuten nykyaikaisissa laitteissa, hiukkasten spinillä, mikä vähentää merkittävästi energiankulutusta ja avaa tien spintroniikkaan perustuvalle elektroniikalle tai vakaammille kvanttilaitteille.
Mutta seuraukset ulottuvat tehokkuuden ulkopuolelle. Toisin kuin tavalliset puolijohteet, tämä materiaali ei ole herkkä säteilylle , mikä on kriittisen tärkeää pitkillä avaruuslennoilla. ” Jos tarvitsemme tietokoneita Marsissa tai tähtienvälisillä matkoilla, tarvitsemme komponentteja, jotka eivät rikkoudu vuosien avaruussäteilyn vaikutuksesta ”, korostaa Hauregi. Yritykset kuten SpaceX, joka aikoo lähettää ihmisiä Punaiselle planeetalle, voisivat hyötyä tästä teknologiasta, vaikka tutkija myöntääkin, että on vielä liian aikaista ennustaa kaikkia sen sovellusalueita.
Gafniumpentatelluridin luominen ja karakterisointi vaativat monialaista yhteistyötä. Lyn lisäksi projektiin osallistuivat Kalifornian yliopiston Irvine-kampuksen jatko-opiskelijat Robert Welzer ja Timothy McSorley sekä tutkija Triet Ho. Samaan aikaan LANL:n teoreettinen ryhmä, johon kuuluivat Shizeng Lin, Varsha Subramanian ja Avad Saxena, kehitti malleja tulosten tulkitsemiseksi. Äärimmäisiä magneettikenttiä koskevat kokeet tehtiin Laurel Winterin, Michael T. Pettesin (LANL) ja David Grafin (Floridan voimakkaiden magneettikenttien kansallinen laboratorio) tuella.
Vaikka tie kaupalliseen sovellukseen on vielä pitkä, tämä löytö on tärkeä virstanpylväs materiaalifysiikassa. ”Emme tiedä, mitä ovia tämä avaa”, myöntää Hauregi, ”mutta tämä on uutta aluetta, ja se on aina jännittävää”. Kun avaruusteollisuus ja kvanttilaskenta seuraavat tilannetta tarkasti, pentatelluridi on nousemassa ehdokkaaksi vuosisadan kahteen suurimpaan teknologiseen haasteeseen: energiatehokkuuteen ja selviytymiseen avaruudessa .