Překvapivý objev v kovech: Tání elektronových krystalů otevírá cestu k supravodičům a nové generaci AI
InovaceVědci z University of Michigan odhalili, že elektrony v mnoha různých kovech vytvářejí krystalické vzory, které se mohou deformovat a tát, podobně jako pevné látky přecházejí do kapalin.
Vědci z University of Michigan odhalili, že elektrony v mnoha různých kovech vytvářejí krystalické vzory, které se mohou deformovat a tát, podobně jako pevné látky přecházejí do kapalin. Tento průlomový objev otevírá nové možnosti pro vývoj supravodičů a neuromorfního počítání, což je oblast umělé inteligence inspirovaná fungováním lidského mozku.
„Naše práce ukazuje, že tyto kvantové struktury, o nichž se často předpokládá, že mají vysoce uspořádanou strukturu, ve skutečnosti pokrývají kontinuum neuspořádanosti, které by mohlo být využito k inženýrství a kontrole těchto materiálů,“ uvedl Robert Hovden, docent materiálových věd a inženýrství a hlavní autor studie publikované v časopise Matter. Hovden dodává, že metalurgové běžně řídí defekty v kovech pro dosažení specifických vlastností, a podobný přístup by mohl pomoci využít potenciál kvantových materiálů v budoucích zařízeních. Tuto novou oblast nazývá „kvantovou metalurgií“.
Přesná úprava struktury těchto elektronových krystalů, známých také jako vlnové hustoty náboje, by mohla vést k novým způsobům kontroly supravodičů – materiálů, které vedou elektrický proud bez odporu. Supravodivé stavy totiž mohou souviset s defekty ve vlnách hustoty náboje. Kontrola struktury elektronových krystalů by také umožnila inženýrům rychle měnit kovy na izolanty, protože vlnové hustoty náboje narušují tok elektřiny v některých vodičích. Přesné přepínání mezi vodičem a izolantem napodobuje způsob, jakým mozkové buňky přenášejí elektrické signály, což by mohlo posunout neuromorfní počítání, které dokáže zpracovávat a přenášet velké objemy dat s minimální energií.
Elektrony ve vodiči jsou obvykle rovnoměrně rozloženy, ale někdy tvoří rovnoměrně rozmístěné shluky, které vytvářejí vlnový vzor střídavé vysoké a nízké hustoty elektronů – vlnu hustoty náboje. Tento periodický shluk náboje připomíná atomovou strukturu krystalů. Vědci zjistili, že když se tento řád naruší, krystaly se fyzicky taví, což se může dít ve fázích. Před úplným roztavením se vzdálenost mezi atomy stává nepravidelnější a řady atomů se dislokují, čímž se naruší sekvenční vzor a vznikají charakteristické hexagonální motivy.
Hovdenův tým úspěšně roztavil vlnu hustoty náboje v 2D vrstvě kovu sulfidu tantalu. Zjistili, že s rostoucím počtem deformací v elektronovém krystalu se body v difrakčním obrazci rozmazávají do oválů a blednou. Tento jev byl následně úspěšně simulován na počítači. Simulace také předpověděly, že po dokončení procesu tání se difrakční ovály rozmažou do slabého halo obklopujícího body představující atomy kovu. Stejný halo vzor byl nalezen výzkumníky z UCLA, kteří vytvořili kapalnou vlnu hustoty elektronů.