Φανταστείτε έναν φορητό υπολογιστή που δε ζεσταίνεται ποτέ, ένα τηλέφωνο που κρατάει τη φόρτισή του για μέρες ή ένα τσιπ μνήμης υπολογιστή σχεδιασμένο να διατηρεί μόνιμα τα δεδομένα, ακόμη και όταν διακόπτεται η παροχή ρεύματος. Αυτή η προοπτική κρύβεται μέσα σε μια αξιοσημείωτη οικογένεια υλικών, την οποία μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Οτάβα και το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) πέρασε χρόνια προσπαθώντας να κατανοήσει, δημοσιεύοντας έναν ολοκληρωμένο οδικό χάρτη του πεδίου στο περιοδικό Newton.
Πώς αλληλεπιδρούν ο μαγνητισμός και η τοπολογία
Τα μαγνητικά τοπολογικά υλικά βρίσκονται στο σταυροδρόμι του μαγνητισμού και της τοπολογίας στη σύγχρονη φυσική. Η τοπολογία είναι η μαθηματική μελέτη των σχημάτων που δεν μπορούν να παραμορφωθούν συνεχώς το ένα στο άλλο. Σε αυτά τα υλικά, αυτή η ιδέα προστατεύει τη ροή των ηλεκτρονίων με τρόπο που τα κανονικά υλικά απλά δεν μπορούν να επιτύχουν.
Τα μαγνητικά τοπολογικά υλικά προσφέρουν μια μοναδική πλατφόρμα όπου ο μαγνητισμός και η κβαντική φυσική συνεργάζονται με τρόπους που τώρα αρχίζουμε να κατανοούμε πλήρως, εξηγεί ο Hang Chi, επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου της Οτάβα. Αυτή η ανασκόπηση συγκεντρώνει τις πιο σημαντικές προόδους του πεδίου και δίνει στους ερευνητές μια κοινή βάση για να χτίσουν πάνω της.
Η εκτενής ανασκόπηση ερευνών από όλο τον κόσμο, που καλύπτει περισσότερα από 20 χρόνια, παρέχει πλέον στην επιστημονική κοινότητα ένα κοινό σημείο εκκίνησης. Ο καθηγητής Chi και οι συνملιουργοί του, ο Δρ. Peng Chen και ο καθηγητής Jagadeesh S. Moodera του MIT, ανέλυσαν τις τέσσερις κύριες οικογένειες αυτών των υλικών, εξηγώντας τα ενδιαφέροντα κβαντικά φαινόμενα που παράγουν και προσδιορίζοντας πού βρίσκονται οι μεγαλύτερες ευκαιρίες για την τεχνολογία του πραγματικού κόσμου.
Η αναζήτηση για ηλεκτρικό ρεύμα σχεδόν χωρίς απώλειες
Ένα από τα πιο εντυπωσιακά από αυτά τα φαινόμενα ονομάζεται «κβαντικό ανώμαλο φαινόμενο Hall» (quantum anomalous Hall effect), μια κατάσταση όπου το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει κατά μήκος των άκρων ενός υλικού με ουσιαστικά μηδενική απώλεια ενέργειας, απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Η επίτευξη αυτού του στόχου με αξιόπιστο και αποτελεσματικό τρόπο είναι ένα ορόσημο που το πεδίο κυνηγάει εδώ και χρόνια.
Αυτό που προκαλεί τον μεγαλύτερο ενθουσιασμό είναι ο τρόπος με τον οποίο αυτά τα υλικά μπορούν να επιτρέψουν τη μεταγωγή μαγνήτισης που επάγεται από ηλεκτρικό ρεύμα ή τάση με αποδόσεις που υπερβαίνουν τα συμβατικά μέταλλα κατά τάξεις μεγέθους, αναφέρει ο καθηγητής Chi. Αυτό μεταφράζεται απευθείας σε συσκευές που είναι ταχύτερες, μικρότερες και δραματικά πιο ενεργειακά αποδοτικές από αυτές που έχουμε σήμερα.
Το μοναδικό πρόβλημα που πρέπει να λύσουν οι επιστήμονες
Επί του παρόντος, αυτά τα φαινόμενα εμφανίζονται μόνο όταν τα υλικά ψύχονται σε θερμοκρασίες κλασμάτων του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν. Η λειτουργία αυτών των υλικών σε θερμοκρασία δωματίου αποτελεί τη μεγαλύτερη πρόκληση του πεδίου.
Η μελέτη υποδεικνύει τρεις συγκεκριμένες κατευθύνσεις για το μέλλον: τη χρήση ισχυρών υπολογιστών και τεχνητής νοημοσύνης για τον γρήγορο έλεγχο χιλιάδων υποψήφιων υλικών, τη δημιουργία νέων συνδυασμών υλικών σε δομές λεπτών στρωμάτων και την ανακάλυψη εντελώς νέων οικογενειών μαγνητικών τοπολογικών υλικών που δεν έχουν εντοπιστεί ακόμη.
Δεν έχουμε φτάσει ακόμα εκεί, αλλά τώρα έχουμε έναν πολύ πιο καθαρό οδικό χάρτη, προσθέτει ο καθηγητής Chi. Συνδυάζοντας τις προόδους στη σύνθεση υλικών, τον υπολογιστικό έλεγχο και τη μηχανική μάθηση, πιστεύουμε ότι οι μαγνητικές τοπολογικές συσκευές σε θερμοκρασία δωματίου είναι εφικτές.
Γιατί αυτό θα μπορούσε να μεταμορφώσει την πληροφορική
Ο τρόπος με τον οποίο κατασκευάζουμε υπολογιστές και ηλεκτρονικές συσκευές πλησιάζει τα φυσικά του όρια. Τα τσιπ γίνονται τόσο πυκνά που η θερμότητα έχει αναδειχθεί σε ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια για την αύξηση της ταχύτητάς τους. Τα υλικά που περιγράφονται σε αυτή την ανασκόπηση δεν προσφέρουν απλώς μια σταδιακή βελτίωση, αλλά αντιπροσωπεύουν μια θεμελιωδώς διαφορετική προσέγγιση στη μετακίνηση και την αποθήκευση πληροφοριών, η οποία θα μπορούσε να κάνει τις συσκευές πιο ψυχρές, ταχύτερες και πολύ πιο αποδοτικές ενεργειακά.
Πέρα από την πληροφορική, αυτά τα υλικά δείχνουν ήδη πρώιμες υποσχέσεις στο υλικό της τεχνητής νοημοσύνης, δηλαδή σε φυσικά κυκλώματα που επεξεργάζονται πληροφορίες με τον τρόπο που λειτουργεί ο ανθρώπινος εγκέφαλος, αντί για τον τρόπο που λειτουργεί ένας παραδοσιακός υπολογιστής. Σε έναν κόσμο όπου τα κέντρα δεδομένων AI καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια με συγκλονιστικό και αυξανόμενο ρυθμό, αυτό έχει τεράστια σημασία.
