Το μυστικό του Αϊνστάιν σε ένα μικροτσίπ: Ανακαλύφθηκε η κρυφή γεωμετρία που «δαμάζει» τα ηλεκτρόνια όπως η βαρύτητα
Μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης (UNIGE) αποκάλυψε μια γεωμετρική δομή στον πυρήνα των κβαντικών υλικών, η οποία κάποτε θεωρούνταν καθαρά θεωρητική.
Πώς μπορεί να γίνει επεξεργασία της πληροφορίας σχεδόν ακαριαία ή το ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει χωρίς απώλεια ενέργειας; Για την επίτευξη αυτών των στόχων, οι ερευνητές τόσο στον ακαδημαϊκό χώρο όσο και στη βιομηχανία επικεντρώνονται όλο και περισσότερο στα κβαντικά υλικά, τα οποία λειτουργούν σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής στις μικρότερες δυνατές κλίμακες.
Η δημιουργία αυτών των υλικών απαιτεί βαθιά κατανόηση της συμπεριφοράς σε ατομικό επίπεδο, έναν τομέα που απέχει ακόμη πολύ από το να είναι πλήρως κατανοητός. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Γενεύης (UNIGE), σε συνεργασία με συναδέλφους από το Πανεπιστήμιο του Σαλέρνο και το Ινστιτούτο CNR-SPIN (Ιταλία), σημείωσαν τώρα μια σημαντική πρόοδο εντοπίζοντας μια κρυμμένη μορφή γεωμετρίας που προηγουμένως είχε προβλεφθεί μόνο θεωρητικά.
Αυτή η γεωμετρία μεταβάλλει τις διαδρομές που ακολουθούν τα ηλεκτρόνια με τρόπο που προσομοιάζει με το πώς η βαρύτητα καμπυλώνει την τροχιά του φωτός. Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science, υποδεικνύουν νέες δυνατότητες για την κβαντική ηλεκτρονική.
Οι τεχνολογίες του μέλλοντος βασίζονται σε υλικά με εξαιρετικές δυνατότητες που πηγάζουν από την κβαντική φυσική. Αυτή η στροφή καθοδηγείται από τη μελέτη της ύλης σε μικροσκοπική κλίμακα, η οποία βρίσκεται στον πυρήνα της κβαντικής επιστήμης. Κατά τη διάρκεια του περασμένου αιώνα, η διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο συμπεριφέρονται τα άτομα, τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια στο εσωτερικό των υλικών οδήγησε στην εφεύρεση των τρανζίστορ και, τελικά, στους σύγχρονους υπολογιστές.
Σήμερα, οι επιστήμονες συνεχίζουν να αποκαλύπτουν κβαντικά φαινόμενα που αμφισβητούν τα καθιερωμένα θεωρητικά μοντέλα. Πρόσφατες έρευνες δείχνουν ότι, σε ορισμένα υλικά, μπορεί να αναδυθεί μια μορφή γεωμετρίας όταν εξετάζεται ταυτόχρονα ένας μεγάλος αριθμός σωματιδίων. Αυτή η γεωμετρική δομή φαίνεται να επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα σε ένα υλικό, με τρόπο που θυμίζει την περιγραφή του Αϊνστάιν για το πώς η βαρύτητα διαμορφώνει την τροχιά του φωτός.
Από τη θεωρία στην παρατήρηση
Γνωστή ως κβαντική μετρική, αυτή η γεωμετρία αντικατοπτρίζει την καμπυλότητα του κβαντικού χώρου στον οποίο κινούνται τα ηλεκτρόνια. Παίζει κρίσιμο ρόλο σε πολλά φαινόμενα στη μικροσκοπική κλίμακα της ύλης. Ωστόσο, η ανίχνευση της παρουσίας και των επιδράσεών της παραμένει μια σημαντική πρόκληση.
“Η έννοια της κβαντικής μετρικής χρονολογείται περίπου 20 χρόνια πριν, αλλά για μεγάλο χρονικό διάστημα θεωρούνταν καθαρά ένα θεωρητικό κατασκεύασμα. Μόνο τα τελευταία χρόνια οι επιστήμονες άρχισαν να εξερευνούν τις απτές επιδράσεις της στις ιδιότητες της ύλης”, εξηγεί ο Andrea Caviglia, τακτικός καθηγητής και διευθυντής του Τμήματος Φυσικής Κβαντικής Ύλης στη Σχολή Θετικών Επιστημών του Πανεπιστημίου της Γενεύης (UNIGE).
Χάρη σε πρόσφατες εργασίες, η ομάδα υπό τον ερευνητή του UNIGE, σε συνεργασία με τον Carmine Ortix, αναπληρωτή καθηγητή στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου του Σαλέρνο, ανίχνευσε την κβαντική μετρική στη διεπαφή μεταξύ δύο οξειδίων —του τιτανικού στροντίου και του αργιλικού λανθανίου— ένα γνωστό κβαντικό υλικό.
“Η παρουσία της μπορεί να αποκαλυφθεί παρατηρώντας πώς οι τροχιές των ηλεκτρονίων παραμορφώνονται υπό τη συνδυασμένη επίδραση της κβαντικής μετρικής και των ισχυρών μαγνητικών πεδίων που εφαρμόζονται στα στερεά”, εξηγεί ο Giacomo Sala, ερευνητικός συνεργάτης στο Τμήμα Φυσικής Κβαντικής Ύλης της Σχολής Θετικών Επιστημών του UNIGE και κύριος συγγραφέας της μελέτης.
Ξεκλειδώνοντας τις τεχνολογίες του μέλλοντος
Η παρατήρηση αυτού του φαινομένου καθιστά δυνατή τη μελέτη των οπτικών, ηλεκτρονικών και μεταφορικών ιδιοτήτων ενός υλικού με μεγαλύτερη ακρίβεια. Η ερευνητική ομάδα καταδεικνύει επίσης ότι η κβαντική μετρική είναι μια εγγενής ιδιότητα πολλών υλικών — σε αντίθεση με όσα πίστευαν οι επιστήμονες μέχρι σήμερα.
“Αυτές οι ανακαλύψεις ανοίγουν νέους δρόμους για την εξερεύνηση και την αξιοποίηση της κβαντικής γεωμετρίας σε ένα ευρύ φάσμα υλικών, με σημαντικές επιπτώσεις για τα μελλοντικά ηλεκτρονικά συστήματα που λειτουργούν σε συχνότητες terahertz (ένα τρισεκατομμύριο hertz), καθώς και για την υπεραγωγιμότητα και τις αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης“, καταλήγει ο Andrea Caviglia.
Οι επιστήμονες εξερευνούν τα κβαντικά υλικά για να επιτρέψουν την εξαιρετικά γρήγορη πληροφορική και τη μεταφορά ηλεκτρισμού χωρίς απώλειες, αλλά κάτι τέτοιο απαιτεί την κατανόηση φαινομένων σε ατομική κλίμακα που παραμένουν σε μεγάλο βαθμό μυστηριώδη. Μια νέα μελέτη αποκαλύπτει μια ασύλληπτη “κβαντική γεωμετρία” που κάμπτει ανεπαίσθητα τις διαδρομές των ηλεκτρονίων στο εσωτερικό των υλικών, αντικατοπτρίζοντας τον τρόπο με τον οποίο η βαρύτητα καμπυλώνει το φως. Φωτογραφία: SciTechDaily.com