Άνευ προηγουμένου ανατροπή στην Κβαντική Φυσική: Επιστήμονες καταργούν τους νόμους — και αλλάζουν τα πάντα.
Σε μια εντυπωσιακή επιστημονική ανακάλυψη, ερευνητές από την Ολλανδία κατάφεραν να καταρρίψουν έναν από τους βασικότερους περιορισμούς της κβαντικής φυσικής, ανοίγοντας τον δρόμο για ριζικά νέες τεχνολογίες.
Χάρη στην αξιοποίηση του μαγνητικού γραφενίου, οι επιστήμονες ανέπτυξαν υπερλεπτές συσκευές που λειτουργούν χωρίς ογκώδεις μαγνήτες και —κυρίως— σε
απλές συνθήκες δωματίου.Η ερευνητική ομάδα, όπως δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Communications, επιβεβαίωσε για πρώτη φορά την ύπαρξη του Κβαντικού Φαινομένου Hall Σπιν (Quantum Spin Hall Effect – QSH) στο γραφένιο, εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη για εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.
Το φαινόμενο αυτό, που βασίζεται στη συμπεριφορά του «σπιν» των ηλεκτρονίων —ένα καθαρά κβαντομηχανικό χαρακτηριστικό— επιτρέπει τη μεταφορά και την επεξεργασία πληροφοριών μέσω σπιντρονικών συσκευών.
Όπως εξηγεί μέλος της ομάδας, το σπιν μπορεί να φανταστεί κανείς ως έναν μικροσκοπικό μαγνήτη που «κουβαλούν» τα ηλεκτρόνια, με κατεύθυνση προς τα πάνω ή προς τα κάτω.
Αυτό το χαρακτηριστικό καθιστά το σπιν ιδανικό εργαλείο για την ανάπτυξη της επόμενης γενιάς τεχνολογιών: από κβαντικούς υπολογιστές έως εξελιγμένα συστήματα μνήμης.
Το σημείο-κλειδί της επιτυχίας ήταν η κατασκευή μιας ειδικής δομής, όπου το γραφένιο τοποθετήθηκε πάνω σε έναν αντισιδηρομαγνητικό υλικό, το CrPS₄.
Ο συνδυασμός αυτός προκάλεσε ισχυρές σπιν-τροχιακές και ανταλλακτικές αλληλεπιδράσεις, με αποτέλεσμα τη δημιουργία τοπολογικά προστατευμένων οριακών καταστάσεων.
Οι καταστάσεις αυτές επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια να κινούνται ελεύθερα κατά μήκος των άκρων του υλικού χωρίς καμία αντίσταση, ενώ οι σπιν τους είναι αντικρουόμενα προσανατολισμένοι — κλασικό χαρακτηριστικό του QSH.
Μέχρι σήμερα, η δημιουργία τέτοιων συσκευών ήταν εξαιρετικά δύσκολη.
Χρειαζόταν είτε πανίσχυρα μαγνητικά πεδία είτε υπερβολικά χαμηλές θερμοκρασίες.
Όμως τώρα, οι επιστήμονες απέδειξαν ότι τα μαγνητικά χαρακτηριστικά μπορούν να «γεννηθούν» στο ίδιο το υλικό, μέσω του φαινομένου εγγύτητας με το CrPS₄.
Το σημαντικότερο είναι πως οι σταθερές σπινικές καταστάσεις διατηρούνται ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου, γεγονός που καθιστά την τεχνολογία αυτή πρακτική και έτοιμη για πραγματικές εφαρμογές.
Για τις ανάγκες του πειράματος, οι επιστήμονες δημιούργησαν μια πολυστρωματική δομή, με το γραφένιο να παρεμβάλλεται ανάμεσα σε στρώμα CrPS₄ και σε προστατευτικό στρώμα εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου. Χρησιμοποιώντας προηγμένες μεθόδους μέτρησης, διαπιστώθηκε ότι αυτή η διαμόρφωση προκαλεί σημαντικές διαρθρωτικές μεταβολές στο γραφένιο, ευνοώντας τον σχηματισμό κβαντικών οριακών καταστάσεων.
Καταλυτική απόδειξη ήταν η μέτρηση της αγωγιμότητας, η οποία έφτασε στο θεωρητικά προβλεπόμενο επίπεδο για QSH καταστάσεις — και όλα αυτά χωρίς εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.
Αλλά δεν σταματά εδώ.
Οι ερευνητές παρατήρησαν επίσης το ανώμαλο κβαντικό φαινόμενο Hall, ένα ακόμη κβαντικό φαινόμενο που παρέμεινε ενεργό σε θερμοκρασία δωματίου.
Το συγκεκριμένο φαινόμενο, άρρηκτα συνδεδεμένο με το σπιν, επιβεβαιώνει την ισχυρή παρουσία μαγνητικών και σπιν-τροχιακών αλληλεπιδράσεων στο σύστημα.
Η συνύπαρξη αυτών των δύο φαινομένων σε μια μόνο δομή αποδεικνύει εμφατικά το τι είναι εφικτό όταν συνδυάζονται η σπιντρονική με την τοπολογική φυσική.
Σύμφωνα με την ομάδα, αυτή η ανακάλυψη υπερβαίνει ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια στην πρακτική εφαρμογή των κβαντικών τεχνολογιών: την ανάγκη για ακραίες συνθήκες λειτουργίας, όπως μαγνητικά πεδία ή cryo περιβάλλον.
Πλέον, χάρη στην ενσωματωμένη συμπεριφορά των υλικών, τα κβαντικά κυκλώματα μπορούν να είναι πολύ πιο μικρά, αποδοτικά και εύκολα ενσωματώσιμα, ιδανικά για χρήση σε λογικές μονάδες, συστήματα μνήμης και ενεργειακά αποδοτικές κβαντικές συσκευές.
Η ομάδα ερευνητών θεωρεί ότι η εργασία τους προσφέρει όχι μόνο βαθύτερη κατανόηση των κβαντικών καταστάσεων στο γραφένιο, αλλά και ανοίγει τον δρόμο για την κατασκευή δισδιάστατων τοπολογικών συσκευών, ικανών να λειτουργούν σε ρεαλιστικές συνθήκες.
Ωστόσο, επισημαίνουν πως απαιτείται περαιτέρω έρευνα για τη βελτιστοποίηση των σπιν-τροχιακών αλληλεπιδράσεων και για τη μείωση των παρεμβολών μέσα στο γραφενικό κανάλι.
Η ανακάλυψη αυτή επιβεβαιώνει θεωρίες σχεδόν δύο δεκαετιών για το ότι το γραφένιο, υπό συγκεκριμένες συνθήκες, μπορεί να φιλοξενεί σταθερές κβαντικές καταστάσεις σπιν.
Όπως τόνισε μέλος της ομάδας, η δυνατότητα δημιουργίας κβαντικών ρευμάτων σπιν χωρίς εξωτερικά μαγνητικά πεδία ανοίγει νέους ορίζοντες για την πρακτική εφαρμογή της σπιντρονικής στο εγγύς μέλλον.
www.bankingnews.gr
Από το romioitispolis
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου