مواد کوانتومی به دسته‌ای از مواد عجیبی اطلاق می‌شود که به طور کلی دارای ویژگیهای کوانتومی هستند، طیف این مواد جالب، بسیار گسترده است و از رفتارهای عجیب جمعی تا انواع خاصی از نظم ها و همبستگی های الکترونی را در برمی‌گیرد. ویژگیهای عجیب مواد کوانتومی به ما اجازه می‌دهد تا کاربردهای هیجان‌انگیزی را که در مواد معمولی، ممکن نیست، تجربه کنیم. این بار دانشمندان موفق شده‌اند چنین کاربردی را در یکی از مواد کوانتومی بیابند. نتیجه‌ی این پژوهش دو روز پیش در مجله معتبر ساینس منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…
دانشمندان دانشگاه میشیگان، یک گام به درک سازوکار یک ماده کوانتومی عجیب به نام ایتریبیوم دودکابوراید (ytterbium dodecaboride) با فرمول شیمیایی YbB۱۲ نزدیک‌تر شدند. اثبات رسانایی مواد کوانتومی به دانشمندان در فهم اسپین، بار و جریان الکتریکی در این مواد الکترومغناطیسی کمک خواهد کرد. این ماده، یک بلور بسیار تمیز بوده و از آنجایی که هم ویژگیهای مواد رسانا و عایق را مشترکا دارد، بسیار غیرعادی است. یعنی توده‌ی داخلی این بلور، یک عایق بوده و الکتریسیته را عبور نمی‌دهد، در حالیکه سطحش، به طور فوق‌العاده‌ای در رسانش الکتریسیته، بهینه است. محققان باید بتوانند میزان خوب بودن این ماده را در رسانش الکتریسته اندازه‌گیری کنند. آنها می‌گویند:
درون رایج‌ترین دستگاه الکترونیکی این روزها، یعنی گوشی‌های موبایل، بخش مهمی وجود دارد: ترانزیستوری که از سیلیکون ساخته شده و الکتریسیته را درون دستگاه منتقل می‌کند. این نیمه رساناهای سیلیکونی از توده‌ی مادی خود برای ایجاد مسیری برای عبور جریان الکتریکی استفاده می‌کنند. این امر باعث می‌شود دستگاه‌های الکترونیکی را نتوان سریع‌تر یا فشرده‌تر کرد.
با جایگزینی یک ترانزیستور سیلیکونی با ترانزیستوری که از مواد کوانتومی ساخته شده، می‌توان گوشی را بسیار سریع‌تر و سبک‌تر کرد. دلیل این امر آن است که ترانزیستورهای درون دستگاه، الکتریسیته را می‌توانند بسیار سریع در سطحشان منتقل کنند، با این حال می‌توانند در ابعاد بسیار کوچک‌تر ساخته شوند و دارای یک هسته‌ی درونی عایق باشند. مزایای مواد کوانتومی به قدرتمندتر کردن موبایل‌هایمان محدود نمی‌شود. آنها می‌توانند در محاسبات کوانتومی استفاده شوند، حوزه‌ای که هنوز در دوران طفولیتش قرار دارد، اما اهمیت فوق‌العاده‌ای در امنیت سایبری دارد.
دانشمندان با مطالعه‌ی ایتریبیوم دودکابوراید دریافتند این ماده تا چه اندازه در رسانش الکتریسیته، خوب عمل می‌کند. در یک فلز تمیز که الکتریسیته را بسیار بهینه انتقال می‌دهد، الکترون‌ها، خوشه‌هایی را شکل می‌دهند. چرخش این خوشه‌ها منجر به نوسانات مقاومت الکتریکی ماده می‌شود. این نوسانات به محققان می‌گوید این ماده تا چه اندازه می‌تواند الکتریسیته را به صورت بهینه عبور دهد. در این مطالعه، دانشمندان توانستند نوسان مقاومت یک توده‌ی عایق را اندازه گیری کنند، مشکلی که ۴ سال برای حل آن تلاش شده بود.
برای اندازه‌گیری این ارتعاش، دانشمندان از آهنربای بسیار قوی آزمایشگاه ملی فلوریدا استفاده کردند. این آهنربا بسیار شبیه آهنربایی است که برای چسباندن عکس‌ها روی در یخچال استفاده می‌کنید، اما چند برابر قوی‌تر. یک آهنربای یخچالی، قدرت کششی حدود ۰.۱ تسلا دارد، در حالیکه این آهنربا، حدود ۴۵ تسلا کشش دارد. یعنی حدود ۴۰ برابر قدرتمندتر از آهنربایی که در دستگاه MRI استفاده می‌شود.
دانشمندان برای اندازه‌گیری کارآمدی ایتریبیوم دودکابوراید، یک جریان الکتریکی را از نمونه‌ی درون آهنربا عبور داده و سپس میزان ولتاژ الکتریکی سرتاسر نمونه را اندازه گرفتند. این اندازه‌گیری به آنها می‌گوید چه میزان مقاومت در این ماده وجود دارد. آنها می‌گویند:
ما در نهایت نشانه‌ی درست را گرفتیم و دریافتیم ایتریبیوم دودکابوراید در درونش، عایق بسیار خوب، اما در سطحش، رسانای بسیار خوبی است، آنقدر خوب که می‌توانیم یک جریان الکتریکی روی آن ایجاد کنیم.
