ФОТО: Freepik/vecstockКвантовый металл: что же такое открыли ученые
Квантовые материалы — это передний край научных и технологических исследований. Их применение потенциально способно революционизировать такие области, как электроника, вычисления и медицина. Недавнее исследование ученых из Университета Райса (США) выявило новый класс квантовых критических металлов, которые обладают необычными свойствами.
Квантовые материалы
Квантовыми ученые называют материалы, демонстрирующие уникальные электронные и магнитные свойства, которые невозможны в обычных материалах. Это связано с тем, что они работают на субатомном уровне, где законы классической физики не действуют. Вместо этого частицы подчиняются правилам квантовой механики, которые позволяют им существовать в нескольких состояниях одновременно (суперпозиция) и мгновенно связываться, независимо от расстояния (запутанность).
Квантовая критичность
Квантовая критичность, ключевой концепт в вышеупомянутом исследовании, возникает во время «квантового фазового перехода». Подобно тому, как вода переходит между твердым, жидким и газообразным состояниями в зависимости от температуры, квантовые материалы также претерпевают фазовые переходы. Однако эти переходы вызваны не изменениями температуры, а квантовыми флуктуациями — случайными изменениями состояний частиц, которые сохраняются даже при очень низких температурах.
В квантовых критических металлах электроны могут менять фазу, переходя из одного состояния в другое, что изменяет свойства материала. В отличие от воды, эти изменения гораздо более сложны из-за законов квантовой механики. Эти квантовые фазовые переходы создают особые материалы, которые находятся на границе между несколькими электронными состояниями.
Эффект Холла
Один из самых интересных аспектов этого открытия связан с явлением, известным как электронная топология. В контексте квантовой физики топология — изменение организации и взаимодействия электронов внутри атомов и молекул. Именно эти изменения помогают квантовым металлам проявлять необычные свойства.
Поразительным примером топологического влияния является эффект Холла. Так, если магнитное поле будет воздействовать на проводник, по которому протекает электрический ток, он будет отклоняться от своего пути. В новых материалах исследователи обнаружили, что эффект Холла сильно зависит от того, как электроны организованы внутри материала. Удивительно, но этот эффект наблюдается при очень слабых магнитных полях, гораздо слабее, чем обычно. Это может быть очень полезно для создания новых типов высокочувствительных датчиков.
Потенциальное применение
Открытие нового класса квантовых критических металлов открывает путь для технологических прорывов в области обнаружения и измерения слабых сигналов. Датчики на основе этих материалов могут быть использованы в различных областях, от мониторинга окружающей среды до медицины, где часто требуется высокая чувствительность для обнаружения тонких аномалий. Например, датчик на основе описанных квантовых свойств мог бы обнаруживать самые незначительные изменения в электрических или магнитных полях или измерять очень малые колебания температуры.
Это также может привести к революции в технологиях хранения и передачи энергии, оптимизируя поток электричества через материалы. Хотя ученые пока находятся лишь ан стадии теоретических исследований, эти открытия закладывают основу для будущих инноваций.
Источник
