Kvantové krystaly mohou nastartovat technologickou revoluci

Vědci z Auburnu vyvinuli nový materiál s volnými elektrony pro kvantové počítače a chemickou výrobu.

Úvod

Představte si budoucnost, kde továrny vyrábějí materiály a chemické sloučeniny rychleji, levněji a s menším počtem výrobních kroků. Nebo si představte laptop, který zpracovává složitá data během několika sekund, či superpočítač učící se a přizpůsobující se stejně efektivně jako lidský mozek. Tyto možnosti závisí na jednom základním faktoru: chování elektronů uvnitř materiálů. Vědci z Auburn University nyní vyvinuli průlomový typ materiálu, který umožňuje přesně kontrolovat tyto drobné nabité částice.

Co jsou kvantové krystaly?

Kvantové krystaly, také známé jako elektridové materiály, jsou speciální struktury, ve kterých se elektrony mohou volně pohybovat, aniž by byly vázány na konkrétní atomy. To otevírá dveře pozoruhodným novým možnostem v oblasti elektroniky a chemie.

Klíčové vlastnosti nového materiálu

Výzkumný tým z Auburnu vytvořil inovativní materiálové struktury nazvané “Surface Immobilized Electrides” připojením prekurzorů solvatovaných elektronů ke stabilním povrchům, jako je diamant a karbid křemíku. Tato konfigurace činí elektronické charakteristiky elektridů trvanlivými a laditelými.

Hlavní výhody:

• Stabilita: Na rozdíl od dřívějších verzí elektridů jsou tyto nové materiály mnohem stabilnější.
• Laditelnost: Změnou uspořádání molekul lze upravit chování elektronů.
• Škálovatelnost: Materiál má potenciál pro výrobu ve větším měřítku.

Potenciální aplikace

Kvantové výpočty

Jedna verze materiálu by mohla vést k vývoji výkonných kvantových počítačů. Elektrony se mohou shlukovat do izolovaných “ostrůvků”, které se chovají jako kvantové bity (qubity).

Příklad kvantového výpočtu:

$|\psi\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|0\rangle + |1\rangle)$

Chemická výroba

Jiná verze by mohla poskytnout základ pro špičkové katalyzátory, které urychlují základní chemické reakce. To by mohlo změnit způsob, jakým se vyrábějí paliva, léčiva a průmyslové materiály.

Příklad chemické reakce s katalyzátorem:

$\ce{2H2 + O2 ->[Pt] 2H2O}$

Srovnání s tradičními materiály

Budoucí perspektivy

Podle Dr. Evangelose Miliordose, vedoucího autora studie: “Učením se, jak ovládat tyto volné elektrony, si můžeme představit budoucnost s rychlejšími počítači, chytřejšími stroji a novými technologiemi, o kterých se nám ještě ani nesnilo.”

Výzkum je však stále v počátečních fázích. Dr. Konstantin Klyukin dodává: “Toto je základní věda, ale má velmi reálné důsledky. Mluvíme o technologiích, které by mohly změnit způsob, jakým počítáme a vyrábíme.”

Závěr

Kvantové krystaly představují vzrušující novou hranici v materiálovém výzkumu s potenciálem způsobit revoluci v oblasti výpočetní techniky a chemické výroby. Zatímco praktické aplikace mohou být ještě vzdálené, tento průlom otevírá cestu k novým možnostem v kvantových technologiích a průmyslových procesech.

Další zdroje

Pro více informací o kvantových technologiích a materiálovém výzkumu doporučujeme následující zdroje:

• Quantum Computing Report
• Materials Today
• Nature Materials

Tento výzkum byl podpořen americkou Národní vědeckou nadací a výpočetními zdroji Auburn University.