Forskere forudsiger tilstand af stof, der kan lede både elektricitet og energi perfekt

Tre forskere fra University of Chicago har kørt tallene, og de mener, at der kan være en måde at lave et materiale på, der kunne lede både elektricitet og energi med 100 % effektivitet – aldrig tabe noget til varme eller friktion.

Gennembruddet, udgivet 18. februar i Fysisk gennemgang B , foreslår en ramme for en helt ny type sag, som kunne have meget nyttige teknologiske anvendelser i den virkelige verden. Selvom forudsigelsen er baseret på teori, bestræbelser på at teste det eksperimentelt.

"Vi startede med at prøve at besvare et meget grundlæggende spørgsmål, for at se, om det overhovedet var muligt - vi troede, at disse to egenskaber måske var uforenelige i ét materiale, " sagde medforfatter og forskningsrådgiver David Mazziotti, en professor i kemi og James Franck Institute og en ekspert i molekylær elektronisk struktur. "Men til vores overraskelse, vi fandt ud af, at de to tilstande faktisk blev viklet ind på et kvanteniveau, og så forstærke hinanden."

Da en utallig mængde energi går tabt fra elledninger, motorer og maskiner hvert år, forskere er ivrige efter at finde mere effektive alternativer. "På mange måder, dette er det vigtigste spørgsmål i det 21. århundrede - hvordan man genererer og flytter energi med minimalt tab, " sagde Mazziotti.

Vi har kendt til superledere - en slags materiale, der kan lede elektricitet for evigt med næsten ingen tab - i mere end et århundrede. Men det var først i de sidste par år, at det lykkedes forskerne at lave et lignende materiale i laboratoriet, som kan lede energi med næsten ingen tab, kaldet excitonkondensat.

Men både superledere og excitonkondensater er vanskelige materialer at lave og fortsætte med at fungere - dels fordi forskere ikke helt forstår, hvordan de fungerer, og teorien bag dem er ufuldstændig. Vi ved, imidlertid, at begge involverer kvantefysikkens handling.

UChicago kandidatstuderende LeeAnn Sager begyndte at spekulere på, hvordan de to stater kunne genereres i det samme materiale. Mazziottis gruppe har specialiseret sig i at udforske egenskaber og strukturer af materialer og kemikalier ved hjælp af beregning, så hun begyndte at sætte forskellige kombinationer ind i en computermodel. "Vi gennemsøgte mange muligheder, og så til vores overraskelse, fundet en region, hvor begge stater kunne eksistere sammen, " hun sagde.

Det ser ud til, at i den rigtige konfiguration, de to tilstande bliver faktisk viklet ind - et kvantefænomen, hvor systemer bliver uhåndgribeligt forbundet med hinanden. Dette udfordrer den konventionelle forestilling om, at de to stater ikke er forbundne, og kan åbne et nyt felt af dobbelt exciton- og fermionparkondensater.

Ved at bruge noget avanceret matematik, de viste, at takket være kvanteindviklingen, de dobbelte kondensater burde teoretisk set eksistere selv ved den makroskopiske størrelse - dvs. synlig for det menneskelige øje.

"Dette indebærer, at sådanne kondensater kan være realiserbare i nye materialer, såsom et dobbeltlag af superledere, Sager sagde.

Forskerne arbejder med eksperimentelle grupper for at se, om forudsigelsen kan opnås i rigtige materialer.

"At være i stand til at kombinere superledning og excitonkondensater ville være fantastisk til mange anvendelser - elektronik, spintronik, kvanteberegning, " sagde Shiva Safaei, en postdoc-forsker og den tredje forfatter på papiret. "Selvom dette er et første skridt, det ser meget lovende ud."