Νέα κβαντική κατάσταση ύλης ίσως αποτελέσει το καύσιμο της τεχνολογίας του Διαστήματος
Ένας εντελώς άγνωστος μέχρι σήμερα τύπος κβαντικής ύλης κάνει τους φυσικούς να αναθεωρούν όσα ξέρουμε για την αγωγιμότητα, την αποθήκευση ενέργειας και την ανθεκτικότητα των ηλεκτρονικών συστημάτων. Μια ερευνητική ομάδα από το University of California, Irvine ανακοίνωσε ότι ταυτοποίησε μια πρωτόγνωρη κατάσταση ύλης, η οποία σχηματίζεται όταν ηλεκτρόνια και «οπές» —οι θετικά φορτισμένες απουσίες ηλεκτρονίων— συγχρονίζονται και περιστρέφονται ομόφωνα. Το αποτέλεσμα, σύμφωνα με τους επιστήμονες, είναι μια φωτεινή, υγρή δομή που θα μπορούσε να αποτελέσει το θεμέλιο για υπολογιστικά συστήματα ειδικά σχεδιασμένα για μακρινά ταξίδια στο Διάστημα.
Η καθημερινή φυσική διδάσκει ότι η ύλη μπορεί να βρίσκεται σε στερεή, υγρή ή αέρια μορφή. Όμως σε κβαντικό επίπεδο, τα σενάρια είναι πολύ πιο πολύπλοκα. Ο Luis A. Jauregui, καθηγητής Φυσικής και Αστρονομίας στο UC Irvine και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters, εξηγεί ότι η νέα κατάσταση ύλης ήταν έως τώρα μόνο θεωρητική. Κανείς δεν είχε καταφέρει να την μετρήσει πειραματικά μέχρι σήμερα. Η ανακάλυψη δεν αποτελεί απλώς μια ερευνητική επιβεβαίωση, αλλά μπορεί να ανοίξει δρόμους για ηλεκτρονικές συσκευές που λειτουργούν με βάση την περιστροφή των σωματιδίων (spin) αντί του ηλεκτρικού φορτίου, κάτι που υπόσχεται ανθεκτικότητα, εξοικονόμηση ενέργειας και αυτονομία.
Στην καρδιά του ευρήματος βρίσκεται η δημιουργία εξιτονίων, μια ασυνήθιστη ένωση ηλεκτρονίων και οπών που συμπεριφέρεται σαν κβαντικό ρευστό. Τα εξιτόνια είναι γνωστά στην επιστημονική βιβλιογραφία, όμως η εμφάνισή τους με τα ηλεκτρόνια και τις οπές να περιστρέφονται με την ίδια φορά αποτελεί κάτι εξαιρετικά ασυνήθιστο. Ο Jauregui περιγράφει την κατάσταση ως τόσο διακριτή που, αν μπορούσαμε να την κρατήσουμε στο χέρι, θα εξέπεμπε έντονο φως υψηλής συχνότητας. Το υλικό μέσα στο οποίο εμφανίστηκε το φαινόμενο, και το οποίο συνέθεσε στο εργαστήριο ο Jinyu Liu, μοιάζει έτσι με ένα μικροσκοπικό εργαστήριο κβαντικών αλληλεπιδράσεων.
Το κρίσιμο βήμα που αποκάλυψε τη νέα κατάσταση ύλης δεν έγινε σε τυπικές εργαστηριακές συνθήκες. Η ομάδα μετέφερε το υλικό στο Los Alamos National Laboratory στο Νέο Μεξικό, όπου το εξέθεσε σε πανίσχυρα μαγνητικά πεδία που έφτασαν έως και τα 70 Teslas. Για σύγκριση, ένας ισχυρός μαγνήτης οικιακού ψυγείου φτάνει περίπου το 0.1 Teslas. Η κολοσσιαία διαφορά δείχνει πόσο ακραίες ήταν οι συνθήκες που χρειάστηκαν για το φαινόμενο να εμφανιστεί. Το υλικό παρουσίασε απότομη μείωση στην ηλεκτρική αγωγιμότητά του όσο το μαγνητικό πεδίο ενισχυόταν. Αυτή η δραματική μεταβολή ήταν η απόδειξη ότι το σύστημα μεταμορφωνόταν στην εξωτική κατάσταση του εξιτονίου.
Η πρακτική σημασία της ανακάλυψης δεν περιορίζεται στο θεωρητικό ενδιαφέρον. Αυτός ο νέος κβαντικός τύπος ύλης φαίνεται να παραμένει ανεπηρέαστος από την ακτινοβολία, ένα χαρακτηριστικό ιδιαίτερα σπάνιο για ηλεκτρονικά υλικά. Αν επιβεβαιωθεί σε επόμενες μελέτες, μπορεί να αποτελέσει το θεμέλιο για ηλεκτρονικές συσκευές που αυτοτροφοδοτούνται, αποθηκεύουν ενέργεια μέσω του spin και συνεχίζουν να λειτουργούν σε ακραίες συνθήκες, όπως αυτές που συναντώνται σε αποστολές βαθιάς εξερεύνησης του Διαστήματος. Οι ερευνητές το θέτουν απλά: αν θέλουμε υπολογιστές που θα αντέξουν χρόνια έκθεσης στην κοσμική ακτινοβολία σε διαστημικές αποστολές —προς τον Άρη ή πιο πέρα— ο δρόμος μπορεί να περνάει μέσα από αυτό το νέο υλικό.
Το χρονοδιάγραμμα για την τεχνολογική αξιοποίηση της ανακάλυψης παραμένει ασαφές. Ο ίδιος ο Jauregui αναφέρει ότι κανείς δεν γνωρίζει ακόμη επακριβώς τι νέες εφαρμογές μπορεί να ανοίξει αυτή η κβαντική φάση. Ωστόσο η συνεργασία μεταξύ διαφορετικών ιδρυμάτων δείχνει την έκταση του ενδιαφέροντος: η σύνθεση και η κατασκευή των συσκευών έγινε στο UC Irvine από τον Jinyu Liu με τη βοήθεια των Robert Welser, Timothy McSorley και Triet Ho, ενώ οι Shizeng Lin, Varsha Subramanyan και Avadh Saxena στο Los Alamos ανέλαβαν τη θεωρητική μοντελοποίηση. Η ομάδα εργάστηκε επίσης με την National High Magnetic Field Laboratory στη Φλόριντα για τις μετρήσεις υψηλού μαγνητικού πεδίου.
Η φυσική του κβαντικού κόσμου έχει την τάση να εκπλήσσει ακόμη και τους ειδικούς της, αλλά η συγκεκριμένη ανακάλυψη ξεχωρίζει γιατί συνδέεται άμεσα με μια από τις πιο πρακτικές ανάγκες της εποχής: τη δημιουργία συστημάτων υπολογισμού που δεν καταρρέουν όταν απομακρυνθούμε από τη Γη. Αν αυτό το νέο είδος ύλης αποδειχθεί αξιοποιήσιμο, τότε ίσως τα μελλοντικά διαστημικά σκάφη και οι αποικίες στο Διάστημα να βασίζονται όχι απλώς σε πιο ισχυρούς υπολογιστές, αλλά σε εντελώς διαφορετική αρχιτεκτονική τεχνολογίας γεννημένη από το ίδιο το κβαντικό χάος.
