Нов квантов материал с уникални електронни свойства обещава по-мощна и енергийно ефективна електроника.

Учени от Райс Университет, ръководени от физиците Мин Йи и Емилия Морозан, създадоха иновативен материал, който може да проправи пътя към по-мощна, енергийно ефективна и устойчива електроника. Материалът, наречен метал с възлова линия на Крамерс, демонстрира изключителни електронни и свръхпроводящи свойства, които могат да се използват при изграждането на следващото поколение изчислителни и енергийни технологии.

Проучването, публикувано в списание Nature Communications, представя ново ниво на контрол върху електронната структура на материалите чрез фина промяна на химичния им състав и симетрията на кристалната решетка.

Нов материал с прецизно проектирани квантови свойства

Екипът открива, че чрез въвеждане на малки количества индий в танталов дисулфид (TaS₂), кристалната симетрия на материала се изменя така, че води до възникване на възлова линия на Крамерс — уникално квантово явление, при което електроните със спинове нагоре и надолу се движат по различни пътища в импулсното пространство, преди да се срещнат в обща енергийна точка.

Тази топологична структура не само осигурява стабилност на електронните състояния, но и допринася за създаването на свръхпроводящи свойства – т.е. пренос на електричество без енергийни загуби. Комбинацията от тези характеристики е изключително обещаваща за създаване на нови, високоефективни устройства.

Предизвикателства и пробиви в лабораторията

„Проектирането на материал, който отговаря на строгите условия за симетрия, беше сериозно предизвикателство“, отбелязва проф. Морозан. „Но резултатите показват, че сме на прав път към създаването на нови материали с приложими свойства за квантовата електроника.“

Изследователите са използвали усъвършенствани техники, като спектроскопия с ъглова и спинова разделителна способност и електрически транспорт в магнитни полета, за да анализират структурата и поведението на електроните в материала. Тези методи им позволяват да проследят движението, спина и енергията на електроните с изключителна точност.

„Нашите експерименти показват, че можем да контролираме и подчертаваме топологичните свойства на материала, което е от ключово значение за бъдещото им приложение“, казва докторантът Йичен Жанг, съавтор на изследването.

Съчетание на експеримент и теория

За да гарантира надеждността на резултатите, екипът комбинира експерименталните наблюдения с изчисления от първи принцип, базирани на квантовата механика. Теоретичните прогнози потвърждават наблюдаваните електронни структури, осигурявайки по-дълбоко разбиране на топологията на материала и отваряйки врати за бъдещо инженерно приложение.

Според проф. Джуничиро Коно съавтор на проучването и директор на Института Смали-Кърл, откритието е „прекрасен пример за междудисциплинарна наука, която обединява физиката, инженерството и науката за материалите в преследване на квантови иновации“.

Потенциал за бъдещи пробиви

Новосъздаденият материал има потенциал да бъде основа за топологични свръхпроводници, които могат да революционизират енергийния пренос, да намалят загубите в електрониката и да дадат тласък на квантовите изчисления.

„Това откритие е само началото“, казва Юксианг Гао, докторант в Райс и съавтор на изследването. „Съществуват още неизследвани свойства в тези нови материали, които могат да доведат до забележителни технологични пробиви.“

Учените са категорични, че възможността за създаване и контролиране на материали с подобни квантови характеристики ще има дългосрочно въздействие върху цялата индустрия – от компютри и батерии до сензори и телекомуникации.

DOI: 10.1038/s41467-025-60020-z

Източник: Phys.org