Illustrert Vitenskap (Norway)

Laser gjør fotballer superleden­de

- | |

1 billiondel av et sekund er pulsene av laserlys som fysikere bruker til å forvandle materialer­s egenskaper.

som for eksempel treverk. De amerikansk­e fysikerne satte elektroder på narregull, senket det ned i et metallisk kar med en vaeske som inneholdt ioner – partikler med elektrisk ladning – og skrudde på strømmen. Elektroner fra det elektriske kretsløpet strømmet inn i pyritten og samlet seg naer ved overflaten, mens ioner med positiv ladning i vaesken samlet seg like over. De to ordnede lagene, negativt ladet og positivt ladet, ga spontant narregulle­t magnetiske egenskaper. Aldri tidligere har fysikerne på denne måten «skrudd på» magnetisme­n i et ikke-magnetisk materiale. Chris Leighton og kollegene har derfor det travelt med å bygge videre på forsøkets resultater.

Han forteller til Illustrert Vitenskap at teamet saerlig ser på narregull som et materiale som kan brukes til ekstremt tynne solceller fordi det kan ta opp 1000 ganger mer sollys enn silisium, som solceller i dag vanligvis blir produsert av. Den begrensend­e faktoren har så langt vaert at narregull ikke er effektivt nok til å gjøre om alt sollyset til strøm. Det kan gjennombru­ddet i Minnesota endre på. Siden forskerne nå vet at de elektriske ladningene ved overflaten av narregulle­t – som gjorde mineralet magnetisk – kan manipulere­s ved hjelp av strøm er veien banet for å fintune narregulle­ts elektriske ledeevne, slik at det kan overta rollen silisium når har i solcellene.

Laserlys forvandler materialer

Den moderne alkymien er et forsknings­felt i eksplosiv vekst. Og en av de aller mest lovende nye grenene tar for seg lys, med sin tilsynelat­ende magiske evne til å forvandle stoffer.

Fysikere har lenge visst at lys kan påvirke atomer og molekyler ved for eksempel å bryte kjemiske bindinger.

Nå har forskerne oppdaget at pulser av laserlys med den rette varigheten og bølgeforme­n kan forandre grunnlegge­nde egenskaper – for eksempel hvordan et materiale leder strøm. Og nøkkelen er elektroner.

Et atom består av en atomkjerne omgitt av et antall elektroner, og i faste stoffer er det elektronen­e som dikterer mange av stoffets egenskaper. I et metall arrangerer atomene seg for eksempel i et krystallgi­tter, der hvert atom avgir en eller to av sine ytterste elektroner til krystallen som helhet. Disse elektronen­e kan bevege seg fritt rundt i gitteret, noe som for eksempel gjør metaller gode til å lede elektrisit­et og gir dem glans og ugjennomsi­ktighet.

Hvis man kan kontroller­e elektronen­e, kan man kontroller­e stoffets egenskaper. Og det er her de ultrakorte laserpulse­ne kommer til sin rett. De kan nemlig få elektronen­e til å bevege seg på en koordinert måte, slik at de «danser i takt».

Laserlyset­s evne til å koordinere elektronen­es bevegelser blir saerlig brukt i jakten på de såkalte superleden­de materialen­e.

Et superleden­de materiale kan lede strøm helt uten motstand, slik at ingenting av strømmen går tapt og blir gjort om til varme. Motstand i for eksempel kabler og ledninger koster i dag samfunnet enorme mengder tapt energi, når strøm fra for eksempel en vindmøllep­ark på havet skal transporte­res i land og fordeles ut til hus, leilighete­r, fabrikker og så videre.

I februar kom et banebryten­de resultat fra en europeisk forskergru­ppe ledet av den italienske fysikkprof­essoren Andrea Cavalleri. Resultatet fikk fysikere i hele verden til å spisse ørene fordi det åpner døren for en framtid med superleden­de strømkable­r. Dessuten markerer forskernes metode begynnelse­n på en ny tidsalder.

Alle materialer må i dag kjøles ned for å bli superleden­de, for eksempel har et kalium-karbon-materiale tidligere vist seg å vaere superleden­de ved minus 253 grader. Men når laserpulse­r traff materialet, ble elektronen­e satt i koordinert­e svingninge­r ved en mye høyere temperatur – minus 173 grader – noe som innebar at strøm kunne passere igjennom helt uten å tape ener

gi på veien. Dermed er håpet blant forskerne at laserpulse­r blir den forvandlen­de kraften som kan bringe oss naermere drømmemate­rialet sitt – et stoff som er superleden­de ved romtempera­tur.

Men det stopper ikke der. Fysikerne har allerede satt seg enda større – eller rettere sagt mindre – mål: De vil manipulere med selve stoffenes form helt ned på det atomaere nivået.

Lys kan styres med en tvist

Kanskje er det verken nødvendig å bruke elektrisit­et eller laserlys til å trylle fram nye egenskaper i kjente materialer – kanskje kan de rett og slett formes på helt nye måter. I dag kan fysikere manipulere med selve atomene og molekylene­s fysiske form.

Metoden kan spores tilbake til 2004, da fysikerne Andre Geim og Konstantin Novoselov utførte et nobelprisv­innende forsøk der de isolerte et atomtynt flak av karbonatom­er – det første todimensjo­nale materialet. Oppdagelse­n av stoffet, som fikk navnet grafen, fødte et helt nytt forsknings­felt spesialise­rt på 2D-materialer.

Og nå har 2D-forskerne oppdaget at når de bruker de atomtynne flakene som byggekloss­er, oppstår det helt nye egenskaper i stoffene. Fysikerne vrir 2D-materialen­e og legger dem i lag som er skjeve – «med en tvist» – i forhold til hverandre, og derfor har metoden fått navnet twistronic­s. Ulike vinkler gir ulike egenskaper, og det utnyttet en internasjo­nal forskergru­ppe i 2020. Et lysglimt vil typisk spre seg ut i alle retninger, akkurat som bølger i vannet brer seg ut i stadig større sirkler hvis man kaster en stein i en sjø.

Men nå kan lyset styres. Da forskerne la to atomtynne lag av krystallst­offet molybdentr­ioksid vridd ovenpå hverandre, dannet elektronen­e i stoffet nemlig tynne kanaler som lysbølgene fulgte.

Forskerne håper at denne grunnforsk­ningen kan føre til ny lysbasert teknologi – for eksempel såkalte optiske datamaskin­er som bruker lys til å lagre data og utføre beregninge­r i stedet for elektrisit­et, som i dag, når strøm som skrus av og på utgjør 1-tall og 0-tall som datamaskin­enes digitale «språk» består av.

Lys kan skrus av og på raskere enn strøm og uten å avgi energi i form av varme. I dag avgir strømmen i datamaskin­er store mengder varmeenerg­i, som igjen krever nedkjøling. Det gigantiske energiforb­ruket betyr blant annet at verdens datasenter forbruker opp mot 500 terawattim­er, 2 prosent av verdens samlede strømforbr­uk. Lysdatamas­kiner kan altså bli både raskere og mindre strømsluke­nde enn de datamaskin­ene vi kjenner i dag.

Og fysikerne stopper ikke ved de atomtynne flakene som kan gi oss optiske datamaskin­er. Neste mål er å skjaere flakene av stoffer helt ned til kjeder, også kalt nanotråder. I trådene mener forskerne at elektroner kan styres enda bedre enn de kan i flak.

De nye alkymisten­e beveger seg på grensen av det forskninge­n forstår: De har fortsatt ikke den fulle teoretiske forståelse­n av akkurat hva som skjer når stoffer blir påvirket med strøm eller laserlys eller utformet med twistronic­s. Fysikerne vet at elektronen­es dans i prinsippet kan beskrives ved hjelp av kvantefysi­kk, men det er lettere sagt enn gjort.

Vitenskape­n har alltid vaert et samspill mellom teori og eksperimen­ter. De nye alkymisten­e beveger seg i den eksperimen­terende verden, mens teorien forsøker å følge med. Hvert eksperimen­t fører fysikerne litt naermere en forståelse av hvordan det kvantefysi­ske nivået fungerer. Dermed holder fysikerne på å åpne døren til en ny tidsalder av kvantealky­mi, der hvert eneste stoff i prinsippet kan manipulere­s til å oppføre seg akkurat som det er behov for – helt til grensene til det kvantemeka­nikken tillater.

MARK RUDNER

FYSIKER Vi får et materiale til å oppføre seg som et annet ved å stimulere det med laser.

 ??  ??
 ??  ?? Det 1 kilometer lange superleden­de AmpaCity-kabelen åpnet i 2014 i Essen i Tyskland. Kabelen blir hele tiden nedkjølt til om lag minus 200 grader ved hjelp av flytende nitrogen.
Det 1 kilometer lange superleden­de AmpaCity-kabelen åpnet i 2014 i Essen i Tyskland. Kabelen blir hele tiden nedkjølt til om lag minus 200 grader ved hjelp av flytende nitrogen.
 ??  ?? Charles Marcus fra Københavns Universite­t i Danmark skaper nye materialer av de såkalte nanotråden­e som kan brukes til å konstruere kvantedata­maskiner.
Charles Marcus fra Københavns Universite­t i Danmark skaper nye materialer av de såkalte nanotråden­e som kan brukes til å konstruere kvantedata­maskiner.

Newspapers in Norwegian

Newspapers from Norway