Už po desaťročia nám zákony gravitácie ponúkajú presné vnímanie sveta. Vieme, že masívne objekty ako hviezdy a galaxie deformujú štruktúru časopriestoru a ohýbajú dráhu svetla, ktoré putuje vesmírom. Čo ak by podobná skrytá geometria existovala priamo v našej blízkosti, a to vnútri našich najmenších elektronických zariadení?
Kvantová metrika definuje skutočnú vzdialenosť medzi kvantovými stavmi. Zdroj: iStock/NiPlot
V nedávnej štúdii časopisu Science výskumníci zo Ženevskej univerzity odhalili v kvantových materiáloch skrytú geometriu, ktorá riadi elektróny, podobne ako gravitácia riadi svetlo. Tento teoretický konštrukt, známy ako kvantová metrika, bol konečne nameraný v reálnom svete a sľubuje revolúciu v spôsobe, akým navrhujeme ďalšiu generáciu ultrarýchlej elektroniky a kvantových počítačov.
Fyzika odhaľuje, že priestor, v ktorom existujú elektróny, je zdeformovaný a zakrivený. Kvantová metrika odhaľuje chýbajúci kúsok, ktorý pomáha riešiť, ako sa v tomto priestore orientovať, skoro ako tajný GPS elektrónom.
Kvantová metrika definuje skutočnú vzdialenosť medzi kvantovými stavmi. Naznačuje, že keď obrovské množstvo častíc interaguje vnútri určitých materiálov, môže vzniknúť určitý druh vnútornej geometrie. Hovorí elektrónu, aký ťažký alebo rýchly by sa mal „cítiť” v konkrétnom smere. Tento koncept sa veľmi podobá tomu, ako Einsteinova teória gravitácie opisuje ohyb svetla. Napriek dôležitosti kvantovej metriky bolo experimentálne dokázať jej existenciu mimoriadne ťažké. Aj keď jej koncept existuje už viac ako 20 rokov, doteraz bol chápaný len ako teoretický konštrukt.
V novej štúdii bola kvantová metrika detegovaná na hranici medzi dvoma materiálmi, a to titaničitanom strontnatým a hlinitanom lantanitým. Na hranici, kde sa tieto dva materiály stretávajú, vzniká závislý vzťah medzi spinom (vnútornou kvantovou vlastnosťou častice) a momentom (merateľným fyzikálnym účinkom, napríklad magnetickým momentom).
Spin častice je pevne viazaný na smer jej pohybu, to znamená, že smer spinu elektrónu je priamo prepojený so smerom jeho hybnosti (pohybu). Možnosť pozorovať tento efekt umožňuje vedcom presnejšie merať optické, elektronické a transportné vlastnosti materiálov. Výskum tiež prináša zistenie, že kvantová metrika je základnou charakteristikou mnohých materiálov, nielen zriedkavou výnimkou, ako sa doteraz predpokladalo.
Tak ako Einsteinova všeobecná relativita ukázala, že gravitácia nie je sila, ale výsledok zakrivenia časopriestoru, tento výskum ukazuje, že elektrónový odpor v kvantových materiáloch nie je len o nárazoch do atómov. Je výsledkom kvantovej geometrie samotného materiálu.
Pozrite si
Možno to znie ako abstraktná fyzika, ale má to obrovské dôsledky pre reálny svet. Táto „deformovaná“ dráha znamená, že elektróny je možné riadiť a ovládať oveľa presnejšie, ako sa doteraz predpokladalo.
- Schopnosť manipulovať s kvantovou geometriou by mohla viesť k zariadeniam pracujúcim na terahertzových frekvenciách, teda tisíckrát rýchlejšie ako súčasné siete 5G.
- Mohli by sme konečne vytvoriť supravodiče izbovej teploty, čo by nám umožnilo prenášať elektrinu po celom svete s nulovým plytvaním.
- Veľká časť kapacity batérie telefónu sa stráca vo forme tepla, čo je spôsobené trením elektrónov o materiál. Implementácia kvantovej metriky na vytvorenie „bezdotykových“ dráh by mohla viesť k zariadeniam, ktoré zostanú chladné a na jedno nabitie vydržia týždne.
S hlbším porozumením kvantovej metriky a samotných kvantových materiálov dokážeme budovať rýchlejšiu a efektívnejšiu budúcnosť. Výskumníci sa tak stávajú kvantovými architektmi, ktorí navrhujú samotný tvar priestoru, v ktorom sa pohybujú elektróny.
Zdroje: Science, Science Daily
(RR)
