Atomový Lego set odhalující elektrony, jak jsme je nikdy předtím neviděli

  • Kvantový simulátor by mohl otevřít dveře pokročilým novým materiálům a lépe předpovídat počasí, říkají odborníci
  • Výzkumníci říkají, že nové zařízení jim umožňuje pozorovat elektrony ve stavu „kvantové poruchy“
Kvantový simulátor umožnil týmu výzkumníků pozorovat elektrony v „kvantové poruše“. Foto: Univerzita v Nanjingu
Kvantový simulátor umožnil týmu výzkumníků pozorovat elektrony v „kvantové poruše“. Foto: Univerzita v Nanjingu

Mezinárodní tým vědců vytvořil zařízení, které nahlíží do tání elektronů – oblast výzkumu, která by podle nich mohla vést k vývoji nových materiálů a dokonce i počítačů, které fungují jako náš mozek.

Fyzici z pevninské Číny, Hongkongu a Japonska vyvinuli zařízení, které využívalo speciálně strukturované atomy uhlíku k pozorování elektronů. Jak se elektrony změnily z krystalického stavu na kapalný, objevili přechodnou fázi, která nebyla nikdy předtím spatřena, podle jejich středeční zprávy v časopise Nature.

Vědci se dlouho snažili přizpůsobit materiály na atomové úrovni tak, aby dosáhli specifických vlastností . K tomu ale potřebují nejprve porozumět složité interakci elektronů v materiálu – když se například elektrony začnou navzájem odpuzovat, jakmile je materiál dostatečně studený.

Tento problém bylo téměř nemožné vyřešit konvenčními počítači. Cheng Bin z univerzity v Nanjing, spoluvedoucí studie, uvedl, že složitost interakcí elektronů roste exponenciálně s rostoucím počtem elektronů, takže například výpočet vlastností 100 interagujících elektronů by přemohl dnešní nejrychlejší počítač. Nyní však vědci mají metodu, jak pozorovat vlastnosti 10 000 elektronů.

K vyřešení tohoto dilematu Cheng a jeho kolegové vyvinuli kvantový simulátor vytvořením „atomové sady Lego“ s grafenem, jedinou vrstvou uhlíkových atomů uspořádaných do voštinové mřížky, která poskytuje vynikající vodivost a pevnost.

Vědci nejprve připravili dva samostatné kusy dvouvrstvého grafenu a umístili je pod určitým úhlem k sobě. Poté ochladili uspořádání téměř na absolutní nulu a aplikovali elektrické pole, které bylo kolmé na grafen.

Podobně jako molekuly vody v kostce ledu se zdálo, že elektrony v materiálu zamrzly ve svých vlastních pozicích. Tyto elektronové krystaly vykazovaly vysokou odolnost a zcela změnily elektronické vlastnosti původního grafenového materiálu.

Když výzkumníci naladili elektrické pole, zjistili, že spustilo jev zvaný kvantová fluktuace, který způsobuje drobné, náhodné změny v pozicích elektronů. Postupně se kolem začalo pohybovat více elektronů, dokud se všechny neuvolnily a mohly proudit jako kapalná voda .

Tým také pozoroval přechodnou fázi mezi krystalovým a kapalným stavem elektronů. „Nebylo to ani pevné, ani kapalné, ale kvantová porucha,“ řekl Cheng.

Kvantově neuspořádaný stav by mohl být eliminován přidáním horizontálního magnetického pole k materiálu – stejně jako tající led přímo do vody, dodal.

Nejnáročnější částí studie bylo přesně naskládat grafenové vrstvy do přesné polohy a úhlu, řekl Cheng. „Grafen je kluzký jako mýdlo, když je naskládán. Trvalo nám více než rok, než jsme je opravili tam, kam patří.“

Ale jakmile byla tato výzva překonána , vědci zjistili, že jejich zařízení bylo velmi snadné pracovat – simulovat složité kvantové procesy jednoduše jemným doladěním elektrických nebo magnetických polí.

Vědci tvrdí, že kvantový simulátor má velké důsledky pro budoucí výzkum a vývoj.

Například by mohl být použit k simulaci složitých systémů nalezených v přírodním světě, které by pomohly vyvinout supravodivé materiály a léky, které by jinak byly nemožné. Mohlo by to dokonce vést k technikám pro simulaci meteorologických podmínek, které pomohou předpovídat počasí, nebo biologickým neuronovým sítím k vývoji umělé inteligence, která více napodobuje lidský mozek, řekl Cheng.