Uchwycili dziwny stan skupienia materii. Odkrycie zmieni komputery kwantowe
Amerykańscy naukowcy stworzyli nieznany dotąd stan materii, układając nanocząstki srebra niczym klocki LEGO. Wyniki badania opublikowane w prestiżowym "Science" opisują strukturę pośrednią, która pojawia się podczas transformacji fazowych metali. Ustabilizowana przez badaczy faza krystaliczna dotąd istniała tylko w teorii. Inżynierowie odkryli, że w nowo powstałym materiale zachodzi sprzężenie światła z materią w temperaturze pokojowej. Te egzotyczne właściwości mogą przysłużyć się budowie nowocześniejszych komputerów kwantowych.
W skrócie
- Naukowcy z USA ustabilizowali nowy stan materii, układając nanocząstki srebra w strukturę pośrednią między znanymi układami krystalicznymi metali.
- Zaobserwowano sprzężenie światła z materią w temperaturze pokojowej w nowo powstałych supersieciach srebrnych nanocząstek.
- Odkrycie to może mieć znaczenie dla rozwoju komputerów kwantowych i innych zaawansowanych technologii.
- Więcej podobnych informacji znajdziesz na stronie głównej serwisu, otwiera się w nowym oknie
Amerykańscy naukowcy ustabilizowali nieznany dotąd stan skupienia materii
Badacze z Brown University w Providence oraz University of Michigan w w Ann Arbor dokonali czegoś, co do tej pory pozostawało jedynie w sferze teorii. Poprzez precyzyjne układanie specjalnie zaprojektowanych nanocząstek srebra udało im się stworzyć i ustabilizować nieznany dotąd stan materii.
Wyniki prac, opublikowane w słynnym periodyku "Science", opisują strukturę pośrednią, która pojawia się w trakcie transformacji pomiędzy dwoma powszechnymi układami krystalicznymi występującymi w metalach.
Nowy materiał nie tylko rozwiązuje wieloletnią zagadkę naukową, ale wykazuje również niezwykłe właściwości optyczne w temperaturze pokojowej. Prace amerykańskich inżynierów otwierają ponadto zupełnie nową ścieżkę projektowania materiałów od podstaw - poprzez łączenie zmodyfikowanych nanocząstek w struktury o ściśle dopasowanych właściwościach.
"Nasza praca trochę przypomina zabawę dzieci klockami LEGO. Syntezujemy unikalne bloki budulcowe w nanoskali i układamy je w interesujące struktury. W tym przypadku byliśmy w stanie ustabilizować te teoretyczne struktury przejściowe i zademonstrować ważne kwantowe właściwości optyczne" - wyjaśnia Ou Chen, profesor chemii z Brown University i współautor publikacji.
Zobacz również:
Odkrycie zapewniło "większą kontrolę nad inżynierią nanomateriałową"
Wiele metali w naturalny sposób organizuje swoje atomy w jedną z dwóch struktur krystalicznych: sieć regularną ściennie centrowaną (ang. face-centered cubic - FCC) lub sieć regularną przestrzennie centrowaną (ang. body-centered cubic - BCC). W układzie FCC cząstki są upakowane tak gęsto, jak to możliwe, zajmując naroża sześcianu oraz centra każdej z jego ścian. Struktura BCC jest nieco luźniejsza - cząstki znajdują się w narożach oraz dokładnie w samym środku sześcianu. Niektóre metale pod wpływem temperatury potrafią zmieniać te układy, np. żelazo przechodzi z BCC do FCC w temperaturze 912 stopni Celsjusza.
Naukowcy od dawna proponowali różne modele wyjaśniające ten proces. Jeden z wiodących, zwany relacją Nishiyamy-Wassermanna, przewidywał istnienie serii krótkotrwałych struktur pośrednich. Jako że fazy te są wyjątkowo niestabilne, ich bezpośrednia obserwacja była dotychczas niemożliwa. Amerykańskim badaczom udało się jednak tego dokonać dzięki wykorzystaniu nanocząstek srebra.
"Możliwość obserwacji tych struktur jest fundamentalnym przełomem w badaniach materiałowych i daje nam większą kontrolę nad inżynierią nanomateriałową" - tłumaczy Timothy Moore, asystent naukowy z University of Michigan, współautor badania.
Aby zrealizować ten cel, zespół zsyntetyzował srebrne nanocząstki w kształcie ośmiościanów ściętych, które nazwał "meconami". Przypominają one diament z odciętymi wierzchołkami, tworząc bryły o 14 bokach. Kształt ten plasuje się idealnie pomiędzy sferą a sześcianem. Modyfikując warunki termiczne syntezy, badacze kontrolowali stopień zaokrąglenia meconów. Następnie pokryli je długimi łańcuchami molekularnymi działającymi jak lepkie łączniki, co pozwoliło im samoistnie łączyć się w uporządkowane struktury nadrzędne, zwane supersieciami nanocząstek. Poprzez laboratoryjne obserwacje i symulacje komputerowe badacze odkryli, że to właśnie te molekularne otoczki odgrywają kluczową rolę w stabilizacji form pośrednich.
"Możesz je sobie wyobrazić jako włochate cząstki. Te włosy są na tyle elastyczne, że cząstki mogą bardziej swobodnie się przemieszczać, ale jednocześnie dobrze do siebie pasują, co pozwala tym cząstkom łączyć się ze sobą" - wyjaśnia Moore.
Sprzężenie światła z materią umożliwi rozwój komputerów kwantowych
Nowo powstałe srebrne supersieci nanocząstek zaskoczyły naukowców również swoim zachowaniem pod wpływem światła. Zaobserwowano w nich oznaki tzw. głęboko-silnego sprzężenia światła z materią (ang. deep-strong light-matter coupling) na drodze hybrydyzacji plazmonowo-fotonowej na poziomie kwantowym.
To zjawisko, w którym elektrony wewnątrz nanocząstek srebra oscylują w idealnej synchronizacji z falami świetlnymi i zostają z nimi kwantowo splątane. Tego typu efekty optyczno-kwantowe wymagają zazwyczaj ekstremalnie niskich temperatur, a tymczasem nowy materiał wykazuje je w temperaturze pokojowej.
Odkrycie to może położyć fundament pod rozwój przyszłych materiałów wykorzystywanych w komputerach kwantowych, technologiach czujnikowych i innych zaawansowanych systemach wykorzystujących zjawiska kwantowe. Jak podsumowuje Ou Chen, "za każdym razem, gdy identyfikujesz nową fazę materii, wyłonią się nowe zastosowania".
Źródła:
- Yasutaka Nagaoka et al. Stabilizing in-transition phases of superlattices through shape control of silver nanocrystals. Science 392, 951-957 (2026). DOI: 10.1126/science.ady6472
- Brown University. This strange new phase of matter could transform quantum technology. ScienceDaily (2026).
