BEČ / MIČIGEN – U svetu kvantne fizike na pomolu je tehnološka revolucija. U određenim materijalima slobodni elektroni mogu se organizovati u prave kvantne kristale, čija se električna provodljivost menja skokovito – veoma slično biološkim sinapsama u našem mozgu. Novi eksperimenti sada detaljno pokazuju kako ovi elektronski kristali mogu kontrolisano da se tope. Ovaj fundamentalni efekat mogao bi radikalno da oblikuje računarsku tehnologiju i elektroniku budućnosti.
Fenomen kvantnog kristala
U konvencionalnim metalima, provodni elektroni se kreću uglavnom nesmetano kroz krutu atomsku rešetku. Međutim, pod određenim uslovima i ispod kritične temperature, javlja se fascinantan fenomen: elektroni utiču jedni na druge i na atomsku rešetku toliko snažno da se periodično približavaju. Oni unutar materijala formiraju sopstvenu kristalnu nadstrukturu – kvantni kristal od elektrona. Ovaj periodični raspored daje materijalima neobična svojstva provodljivosti koja ekstremno osetljivo reaguju na spoljne stimulanse.
Konstantna atomska rešetka
Međunarodni istraživački tim sada je dokazao da ovi specijalni elektronski kristali mogu da se tope usled dovoda toplotne energije. Posebnost ovog procesa leži u selektivnoj transformaciji: dok struktura provodnih elektrona kolabira i postaje haotičnija sa porastom temperature, bazična atomska rešetka materijala ostaje potpuno netaknuta i nepromenjena. Makroskopski gledano, kvantni objekat se tokom procesa topljenja odjednom ponaša kao sasvim klasičan metal.
Fluktuirajuća gustina elektrona
Kako nastaje elektronski kristal može se slikovito prikazati u jednoj dimenziji: kod klasičnog metala, elektroni se zbog istih naelektrisanja i međusobnog odbijanja raspoređuju kao perle na ogrlici, na maksimalnoj udaljenosti jedni od drugih. Međutim, u specifičnim kvantnim materijalima dolazi do ponavljajućih zastoja – slično kao na preopterećenom autoputu. Gustina elektrona se kreće kroz provodnik poput talasa, čime nastaju takozvani talasi gustine naelektrisanja.
Rađanje kvantne metalurgije
Ovaj novi istraživački rad povezuje visokokompleksnu fiziku čvrstog stanja sa principima klasične metalurgije, u kojoj se svojstva materijala ciljano menjaju svesnim unošenjem defekata ili topljenjem. Posebno u dvodimenzionalnim, atomski tankim materijalima, procesi topljenja se odvijaju veoma uređeno i korak po korak: najpre čestice gube svoja pravilna rastojanja, ali zadržavaju zajedničku orijentaciju. Tek u drugom koraku ruši se i ova orijentacija, i materijal postaje tečan. Pošto je ova dvostepena faza sada identifikovana i kod elektronskih kvantnih kristala, rođeno je potpuno novo istraživačko polje: kvantna metalurgija.
Eksperimenti naučnika Robert Hovden
Istraživačka grupa okupljena oko fizičara po imenu Robert Hovden sa instituta Michigan Center for Materials Characterization nadovezala se na ova otkrića. Tim je uspeo da generiše stabilan talas gustine naelektrisanja u dvodimenzionalnom metalu. Kada su stručnjaci povećali temperaturu, odvojene grupe elektrona su se zamutile i neprimetno prešle jedna u drugu. Kvantna rešetka se rastopila, dok je mehanička atomska rešetka ostala stabilna. Radilo se o preciznom topljenju jednog 2D metala unutar drugog 2D metala. Ipak, potpuno topljenje talasa gustine naelektrisanja bez ikakve promene okružujuće atomske rešetke i dalje ostaje sledeći veliki izazov za istraživače u praksi.
Topljenje elektronskih klastera
Eksperimentalno difrakciono zračenje precizno vizuelizuje ovu faznu tranziciju: jedna velika tačka u sredini označava atom metala, dok okolne male tačke prikazuju uređene grupe elektrona u talasu gustine naelektrisanja. Sa porastom temperature, sleva nadesno se merljivo vidi kako se oštre konture klastera rastvaraju i struktura prelazi u neuređeno stanje.
Revolucija u elektronici
Za praktičnu primenu, ovi rezultati su od ogromnog značaja zbog jedinstvenih svojstava provodljivosti talasa gustine naelektrisanja. Periodična struktura stvara energetske barijere koje sprečavaju pobuđivanje pojedinačnih elektrona. Niski naponi ne mogu da prevaziđu ovu barijeru, zbog čega se metal najpre ponaša kao izolator. Međutim, ako primenjeni napon poraste iznad kritične granične vrednosti, čitav talas se kolektivno pomera za jednu talasnu dužinu. Izolator se naglo pretvara u visokoprovodno stanje koje može da transportuje struju gotovo bez gubitaka.
Izgledi za nove komponente
Ova sposobnost ekstremno brzog prebacivanja između blokade i savršenog protoka podseća na funkcionisanje modernih tranzistora. Istovremeno, ovaj proces imitira ponašanje ljudskih nervnih ćelija, koje takođe emituju električni signal tek kada se pređe određeni prag nadražaja. Ciljana kontrola topljenja talasa gustine naelektrisanja time otvara nova vrata za neuromorfno računarstvo – odnosno računarske arhitekture koje preslikavaju veštačke neuronske mreže i AI sisteme direktno u hardver. Od ovoga profitira i supralegljivost: pošto se talasi gustine naelektrisanja često nadmeću sa supralegljivošću, ciljano topljenje elektronskih talasa može utabati put za protok struje bez ikakvog otpora.
Istraživanje topljenja elektronskih kristala pod vođstvom fizičara kao što je Robert Hovden označava prekretnicu na putu ka kvantnoj elektronici sutrašnjice. Sposobnost da se električna provodljivost skokovito kontroliše ciljanom manipulacijom kvantnih struktura pruža temelj za nove, visokoefikasne komponente. Bilo u neuromorfnoj informatici ili pri optimizaciji supraprovodnika – kvantna metalurgija obećava konačno probijanje tehnoloških granica klasične fizike poluprovodnika.
Izvor „spektrum.de“
AustriaAktuell.at – Saznajte šta pokreće svet sutrašnjice.