Vedci z USA objavili materiál, ktorý sa prepína medzi dvoma kvantovými stavmi na povel. Stačí elektrický prúd
Vedci objavili materiál, ktorý dokáže prepínať medzi dvoma kvantovými stavmi. Elektrickým prúdom mení správanie elektrónov, čo môže ovplyvniť budúcnosť čipov aj senzorov.
Vďaka spolupráci vedcov sa podaril zaujímavý objav na poli kvantových materiálov. Pritom k nemu viedla kombinácia troch dobre známych prvkov – niklu, síry a draslíka. Základom je vrstvená zlúčenina, pripravená špecifickou syntézou, v ktorej vedci objavili schopnosť prechádzať medzi rozdielnymi elektronickými stavmi. Kľúčom je to, že množstvo draslíka v štruktúre sa dá meniť – podľa potreby ho možno z materiálu „vytlačiť“ alebo opäť vrátiť. Takýto prepínateľný systém by mohol v budúcnosti nájsť využitie napríklad v tranzistoroch, senzoroch alebo zariadeniach, kde je potrebné riadiť správanie elektrónov v reálnom čase.
Materiál nesie označenie KxNi4S2 (0 ≤ x ≤ 1). Ide o vrstvenú kryštalickú štruktúru, v ktorej sa vrstvy niklu a síry striedajú s medzivrstvami draslíka. Symbol „x“ znamená, že množstvo draslíka sa môže plynulo meniť – od takmer nulového obsahu až po maximálne zastúpenie, v závislosti od konkrétnej vzorky.
Materiál, ktorý vie prepínať medzi dvoma kvantovými režimami správania elektrónov
Táto zlúčenina bola pôvodne skúmaná pri vývoji nových supravodičov, pričom prvé výsledky sa objavili už v roku 2021. Keď ju však vedci analyzovali detailnejšie, zistili, že elektrický prúd dokáže z materiálu dočasne uvoľniť atómy draslíka, čím sa zmení jeho vnútorná štruktúra. Dôležité je, že tento proces je reverzibilný a materiál sa môže vrátiť späť do pôvodného stavu.
Týmto spôsobom dokáže jeden a ten istý materiál prechádzať medzi dvoma zásadne odlišnými kvantovými stavmi – stavom s tzv. Diracovými kužeľmi a stavom s plochými pásmi (flat bands). Nejde len o „zrýchlenie alebo spomalenie“, ale o úplne odlišné režimy správania elektrónov v materiáli.
„Rozumieme teraz ich základnému princípu a chceme danú metódu rozšíriť, aby sme dokázali pripraviť viac materiálov s rovnakým typom vlastností.“ uviedol Profesor Mercouri Kanatzidis.
Objav zároveň zapadá do série nečakaných zistení, ku ktorým tím v minulosti dospel. Niektoré materiály, ktoré mali pôvodne slúžiť ako supravodiče, sa napokon ukázali ako vhodné napríklad pre batérie alebo energetické technológie. Kanatzidis sa venuje aj výskumu halogenidových perovskitov pre fotovoltiku, za čo získal v roku 2026 Medailu Williama H. Nicholsa od Americkej chemickej spoločnosti.
Neprehliadni
Prečo sú ploché pásy a Diracove kužele pre vedcov také zaujímavé
Ploché pásy (flat bands) a Diracove kužele predstavujú dva odlišné režimy, v ktorých sa elektróny správajú inak. V plochých pásoch majú elektróny veľmi nízku pohyblivosť a silno na seba pôsobia, čo vedie k netradičným kvantovým javom. Naopak, v Diracových kužeľoch sa správajú ako častice s veľmi nízkou efektívnou hmotnosťou a dokážu sa pohybovať extrémne rýchlo.
Vedci tieto vlastnosti analyzovali pomocou výpočtov na superpočítači Bebop a následne ich potvrdili experimentálne v zariadení Advanced Photon Source (APS). Kombinácia výpočtov a meraní potvrdila, že materiál skutočne dokáže prepínať medzi týmito dvoma stavmi.
Výskum teraz pokračuje ďalej, pričom cieľom je nájsť ďalšie materiály s podobným správaním. Práve schopnosť meniť kvantový stav v jednom materiáli je to, čo vedcov zaujíma najviac. Nejde totiž len o nový materiál, ale o nový spôsob, ako riadiť vlastnosti elektrónov v pevných látkach.
