Swingdoktorerne:Fysiker knækker kode på materiale, der fungerer som både dirigent, isolator

Kvantematerialer er en slags mærkeligt stof, der kunne være mange gange mere effektivt til at lede elektricitet gennem vores iPhones end det almindeligt anvendte ledersilicium - hvis bare fysikere kan finde ud af, hvordan tingene fungerer.

En fysiker fra University of Michigan er kommet et skridt nærmere med at beskrive et nyt kvantemateriale, ytterbium dodecaborid, eller YbB12, og billeddannelse af, hvor effektivt elektricitet ledes gennem dette materiale. Demonstrationen af ​​dette materiales ledningsevne vil bidrage til videnskabsmænds forståelse af spindet, oplade, og energiflow i disse elektromagnetiske materialer.

YbB12 er en meget ren krystal, der er usædvanlig, idet den deler egenskaberne med både ledere og isolatorer. Det er, det store indre af YbB12 er en isolator og leder ikke elektricitet, mens dens overflade er ekstraordinært effektiv til at lede elektricitet. Men forskerne skulle være i stand til at måle præcis, hvor god til at lede elektricitet dette materiale er.

"Lige nu, vi bruger en telefon til at tale. Inde i telefonen er dens nøgledele:en transistor lavet af silicium, der passerer elektricitet gennem enheden, " sagde projektleder Lu Li, U-M lektor i fysik. "Disse siliciumhalvledere bruger hovedparten af ​​deres eget materiale til at lave en bane for elektrisk strøm. Det gør det vanskeligt at gøre elektroniske enheder hurtigere eller mere kompakte."

At udskifte en telefons siliciumtransistorer med dem, der er lavet af kvantematerialer, ville gøre telefonen meget hurtigere - og meget lettere. Det er fordi transistorerne inde i enheden ville lede elektricitet meget hurtigt på deres overflader, men kunne gøres meget mindre, med en lettere kerne under et lag af metallets isolerende indre.

Kvantematerialer ville ikke være begrænset til at drive vores telefoner. De kunne bruges i kvanteberegning, en mark stadig i sin vorden, men som kunne bruges til cybersikkerhed. Vores computere fungerer i øjeblikket ved at behandle data i binære cifre:0 og 1. Men der er en grænse for, hvor hurtigt computere kan behandle data på denne måde. I stedet, kvantecomputere ville bruge atomers og elektroners kvanteegenskaber til at behandle information, åbner muligheden for at behandle enorme mængder information meget hurtigere.

Li studerede YbB12 for at forstå materialets elektroniske signatur, som fortæller forskerne, hvor godt et materiale leder elektricitet. I et rent metal, der leder elektricitet meget effektivt, elektroner danner klynger i metallerne.

Disse klyngers svingninger fører til svingninger af materialets elektriske modstand. Denne oscillation fortæller forskerne, hvor effektivt materialet er i stand til at lede elektricitet. I dette studie, Li var i stand til at måle oscillationen af ​​modstand af en bulk isolator, et problem, han har forsøgt at løse i fire år.

For at måle denne oscillation, Li brugte en meget kraftig magnet placeret i et laboratorium på National High Magnetic Field Laboratory i Florida. Denne magnet ligner en magnet, du ville bruge til at fastgøre et foto til dit køleskab, siger Li, men mange gange stærkere. En køleskabsmagnet har et træk på omkring 0,1 Tesla, en måleenhed for magnetfeltet. Magneten på Florida-laboratoriet har en trækkraft på 45 Tesla. Det er omkring 40 gange stærkere end den magnet, der bruges i en MR-maskine.

For at måle effektiviteten af ​​YbB12, Li løb en elektrisk strøm gennem prøven i nærvær af magneten. Derefter, han undersøgte, hvor meget den elektriske spænding faldt i hele prøven. Det fortalte Li, hvor meget modstand der var til stede i materialet.

"Vi fik endelig de rigtige beviser. Vi fandt et materiale, der var en god isolator på dets indre, men ved dens overflade var der en god leder - så god, at vi kan lave et elektrisk kredsløb på den leder, " sagde Li. "Du kan forestille dig, at du kan have et kredsløb, der bevæger sig så hurtigt som muligt på en teenager, lille overflade. Det er, hvad vi håber at opnå for fremtidens elektronik."

Undersøgelsen vises online i tidsskriftet Videnskab .