Vedci práve objavili nový stav hmoty, ktorý podľa teórie nemal existovať
Topologické materiály porušujú zaužívané fyzikálne pravidlá. Výskum ukazuje, ako topológia materiálov otvára cestu ku kvantovým počítačom a novej elektronike.
Vedci v posledných rokoch objavujú materiály, ktoré sa správajú tak, akoby porušovali základné fyzikálne pravidlá. Nie preto, že by fyzika prestala platiť, ale preto, že naše doterajšie predstavy o tom, ako sa má hmota správať, jednoducho nestačia. Hovoríme o topologických materiáloch – zvláštnych látkach, ktoré majú mimoriadne stabilné vnútorné vlastnosti a správajú sa inak než všetko, na čo sme v elektronike zvyknutí.
Najjednoduchšie povedané: takéto materiály vedú elektrinu alebo svetlo iba po svojom povrchu. Ich vnútro je „hluché“, no okraje a povrch fungujú ako dokonale hladká diaľnica. Práve tento paradox vyniesol v roku 2016 Nobelovu cenu za fyziku a otvoril dvere k technológiám, ktoré by mohli zmeniť elektroniku, medicínu aj komunikáciu ďaleko za hranicami dnešných 5G sietí.
Predstav si potrubie, ktorým má tiecť voda. Ak je vo vnútri hrdzavé alebo krivé, voda sa brzdí, víri a stráca energiu. Topologické materiály však fungujú inak. Elektrický prúd po ich povrchu tečie bez zakopnutí, aj keď narazí na roh, škrabanec alebo drobnú chybu v štruktúre. Nezáleží na tom, či je povrch úplne dokonalý.
Práve preto sa o nich hovorí ako o kandidátoch na ultranízkoenergetické tranzistory či nové typy laserových zariadení, píše IEEE Spectrum.
„Topologické tranzistory by mohli nahradiť klasické polovodiče a spotrebovať oveľa menej energie,“ vysvetľuje Michael Fuhrer z Monash University.
Pre predstavu: dnešné počítače a dátové centrá spotrebujú približne 8 až 10 % svetovej elektriny a tento podiel stále rastie. Každé zníženie strát má preto obrovský význam.
Neprehliadni
Nové možnosti za hranicami 5G
Topologické materiály však nie sú len o elektrónoch. Vedci objavili aj fotonické topologické izolátory, kde sa rovnaké princípy uplatňujú na svetlo. Inými slovami, svetlo sa v nich pohybuje po presne určenej dráhe bez rozptylu, bez odrazov a bez strát.
Qi Jie Wang z Nanyang Technological University vysvetľuje, že takéto lasery môžu byť odolnejšie voči výrobným chybám než dnešné riešenia. Aj keď v materiáli vznikne drobná dierka, prasklina alebo nepresnosť, svetlo sa „nezľakne“ a pokračuje ďalej.
Ešte ambicióznejšou kapitolou sú topologické supravodiče. Ide o materiály, ktoré by mohli obsahovať exotické kvantové objekty známe ako Majorana fermióny. Sú výnimočné tým, že sú samy sebe antičasticami – čo znie abstraktne, no má to veľmi praktický dôsledok.
Takéto objekty by mohli slúžiť ako extrémne stabilné kvantové bity, základné stavebné kamene budúcich kvantových počítačov.
„Topologické kvantové bity sú hlavný dôvod, prečo sa ľudia zaujímajú o topologickú supravodivosť. Zatiaľ však existuje len čiastočný dôkaz ich existencie a výskum pokračuje,“ hovorí Ruixing Zhang z University of Maryland.
Zásadný zlom priniesol aj objav materiálu CeRu4Sn6. Ukázalo sa, že topologický stav môže existovať aj bez klasických častíc. Elektróny v tomto materiáli sa správajú skôr ako rozmazaná kvantová hmla než ako jednotlivé objekty, no topologické vlastnosti napriek tomu pretrvávajú.
„Materiál kolíše medzi dvoma stavmi, akoby sa nemohol rozhodnúť, ktorý prijme,“ opisuje Diana Kirschbaum, spoluautorka štúdie.
Inými slovami, topológia dokáže prežiť aj vtedy, keď sa tradičný „časticový obraz“ rozpadá. Je to ako hmla, ktorá si stále drží smer, hoci v nej nevidíš jednotlivé kvapky. Ukazuje sa tak, že matematická ochrana hmoty je hlbšia a odolnejšia, než sme si mysleli.
Prečo sú tieto materiály odolné voči chybám
V klasických čipoch môže aj drobná nečistota, teplo alebo vibrácia spôsobiť chybu pri prenose dát. Topologické materiály však fungujú inak. Ich vlastnosti sú chránené samotnou geometriou systému.
Predstav si uzol na lane. Môžeš lano ohýbať, triasť ním alebo ho krútiť, no uzol zostane. Presne takto funguje topologická ochrana. Práve preto sa tieto materiály považujú za ideálnych kandidátov pre kvantové počítače, ktoré dnes zápasia s extrémnou citlivosťou na prostredie.
Majú aj ekologický rozmer. Keďže elektróny sa pohybujú bez rozptylu, nevzniká odpadové teplo. Smartfón by sa pri náročných úlohách menej zahrieval, batéria by vydržala dlhšie a celé dátové centrá by spotrebovali menej energie. Takýto posun by mohol byť najväčšou revolúciou od vynálezu kremíkového čipu.
Zaujímavé je, že mnoho topologických materiálov už možno dávno existuje. Benjamin Wieder z MIT upozorňuje, že v starých databázach sa skrývajú látky, ktorých topologické vlastnosti sme len nevedeli rozpoznať. Dnes sa začína éra „digitálnej alchýmie“, v ktorej umelá inteligencia prechádza archívy a hľadá materiály pre budúcu elektroniku.
Príprava na kvantovú budúcnosť
Topologické polokovy dokážu viesť prúd takmer bez strát a premieňať viac svetla na elektrinu než akýkoľvek iný známy materiál. Vedci môžu navyše meniť ich hrúbku a jemne ladiť vlastnosti, čo napríklad grafén neumožňuje.
„Elektrické prúdy môžu v týchto materiáloch tiecť s takmer nulovou stratou energie,“ uzatvára Masaki Uchida z Tokyo Institute of Technology.
Celkový obraz je čoraz jasnejší. Topologické materiály majú potenciál zásadne zmeniť elektroniku, fotoniku aj kvantové výpočty. Nie preto, že by porušovali fyzikálne zákony, ale preto, že nám ukazujú, ako bohatý a prekvapivý dokáže byť svet hmoty, keď sa naň pozrieme z iného uhla.
