Na przestrzeni lat badając kryształy fizycy obserwowali zaskakujące zachowanie niektórych z nich. Kryształy mogą charakteryzować się doskonałym przewodnictwem prądu elektrycznego, czy nietypowym polem magnetycznym. Problem jednak w tym, że pomimo lat badań naukowcy wciąż mają problem ze zrozumieniem tych cech na poziomie pojedynczych atomów tworzących takie kryształy.
Pod koniec XX wieku naukowcy chcący eksplorować kryształy na poziomie atomowym zaczęli samodzielnie tworzyć kryształy z pojedynczych atomów schłodzonych do ekstremalnie niskich temperatur, tak aby dało się je ustawiać w odpowiednie miejsce i obserwować za pomocą czułej temperatury. W ten sposób można testować zachowanie prawdziwych kryształów obserwując jak zachowują się modele i porównując wyniki eksperymentu do zachowania naturalnych kryształów.
Czytaj także: Kryształy czasu połączone po raz pierwszy. Ale na praktyczne zastosowania jeszcze poczekamy
O ile ustawianie kilku, czy kilkunastu atomów w strukturę kryształu wychodzi naukowcom już całkiem dobrze, to stworzenie większego kryształu to już wyczyn.
Teraz naukowcy z Uniwersytetu w Innsbrucku pracujący pod kierownictwem Helene Heinzer opracowali nowy sposób na tworzenie większych kryształów, które z kolei mogą pozwolić na testowanie zachowania naturalnych kryształów w zupełnie nowy sposób. Wyniki pierwszych eksperymentów są obiecujące.
Największy dwuwymiarowy kryształ jest… bardzo mały
Korzystając z laserów fizycy byli w stanie stworzyć ultrazimny kryształ złożony ze stu pięciu jonów wapnia ułożonych na metalicznym podłożu w specjalnym pojemniku z metalu i szkła. To właśnie lasery umożliwiły schłodzenie jonów do temperatury bliskiej zera absolutnego. Tak przygotowane zostały następnie ułożone w kształt kryształu na chipie metalicznym korzystając z sił elektromagnetycznych, jakie na jony wywiera zarówno sam chip jak i wszystkie sąsiadujące z nimi jony.
105 atomów to bardzo mało, ale jednocześnie jest to jak na razie największy kryształ dwuwymiarowy stworzony przez fizyków. Poprzednie rekordowo duże kryształy tego typu składały się z około 20-24 kryształów. Ułożenie większej struktury było trudne ze względu na to, że jony zazwyczaj zaczynały się poruszać lub zmieniały położenie, co prowadziło do niekontrolowanych interakcji lub do przypadkowego podgrzania eksperymentu.
Aby temu zapobiec, naukowcy z Austrii postanowili wykorzystać lasery i chip, które utrzymywały drgania w jednej płaszczyźnie, a następnie za pomocą dodatkowego lasera redukowali wszelkie drgania w tej właśnie płaszczyźnie. Dzięki temu, że kryształ jest „tak duży”, a przy tym dwuwymiarowy, może stanowić bardzo przydatny model do symulowania zachowania wyjątkowo cienkich materiałów kwantowych.
Teraz naukowcy pracują nad metodami kontrolowania interakcji zachodzących pomiędzy pojedynczymi atomami w takim krysztale. Jeżeli uda się opanować pojedyncze atomy/jony, kryształy będzie można wykorzystać do obliczeń kwantowych, w których każdy jon w krysztale będzie kwantowym bitem, tzw. kubitem. Na razie jednak to pieśń przyszłości.