Kwantummaterialen zijn een soort vreemde substantie die vele malen efficiënter zou kunnen zijn in het geleiden van elektriciteit door onze iPhones dan het veelgebruikte geleidersilicium - als natuurkundigen maar kunnen achterhalen hoe het spul werkt.

Een natuurkundige van de Universiteit van Michigan is een stap dichterbij gekomen met het detailleren van een nieuw kwantummateriaal, ytterbiumdodecaboride, of YbB12, en beeldvorming hoe efficiënt elektriciteit door dit materiaal wordt geleid. De demonstratie van de geleidbaarheid van dit materiaal zal bijdragen aan het begrip van wetenschappers van de spin, opladen, en energiestroom in deze elektromagnetische materialen.

YbB12 is een zeer schoon kristal dat ongebruikelijk is omdat het de eigenschappen deelt van zowel geleiders als isolatoren. Dat is, het grootste deel van de binnenkant van YbB12 is een isolator en geleidt geen elektriciteit, terwijl het oppervlak buitengewoon efficiënt is in het geleiden van elektriciteit. Maar onderzoekers moesten precies kunnen meten hoe goed dit materiaal elektriciteit geleidt.

"Direct, we gebruiken een telefoon om te praten. In de telefoon bevinden zich de belangrijkste onderdelen:een transistor gemaakt van silicium die elektriciteit door het apparaat laat gaan, " zei projectleider Lu Li, U-M universitair hoofddocent natuurkunde. "Deze siliciumhalfgeleiders gebruiken het grootste deel van hun eigen materiaal om een ​​pad voor elektrische stroom te maken. Dat maakt het moeilijk om elektronische apparaten sneller of compacter te maken."

Het vervangen van de siliciumtransistors van een telefoon door die van kwantummaterialen zou de telefoon veel sneller en veel lichter maken. Dat komt omdat de transistors in het apparaat heel snel elektriciteit zouden geleiden op hun oppervlak, maar kan veel kleiner gemaakt worden, met een lichtere kern onder een laag van de isolerende binnenkant van het metaal.

Kwantummaterialen zouden niet beperkt blijven tot het voeden van onze telefoons. Ze kunnen worden gebruikt in kwantumcomputers, een vakgebied dat nog in de kinderschoenen staat, maar die kunnen worden gebruikt voor cyberbeveiliging. Onze computers werken momenteel door gegevens in binaire cijfers te verwerken:0 en 1. Maar er is een grens aan hoe snel computers gegevens op deze manier kunnen verwerken. In plaats daarvan, kwantumcomputers zouden de kwantumeigenschappen van atomen en elektronen gebruiken om informatie te verwerken, waardoor het mogelijk wordt om grote hoeveelheden informatie veel sneller te verwerken.

Li bestudeerde YbB12 om de elektronische handtekening van het materiaal te begrijpen, die onderzoekers vertelt hoe goed een materiaal elektriciteit geleidt. In een schoon metaal dat elektriciteit zeer efficiënt geleidt, elektronen vormen clusters binnen de metalen.

De schommelingen van deze clusters leiden tot oscillaties van de elektrische weerstand van het materiaal. Deze oscillatie vertelt onderzoekers hoe efficiënt het materiaal in staat is om elektriciteit te geleiden. In dit onderzoek, Li was in staat om de oscillatie van weerstand van een bulkisolator te meten, een probleem dat hij al vier jaar probeert op te lossen.

Om deze trilling te meten, Li gebruikte een zeer krachtige magneet in een laboratorium van het National High Magnetic Field Laboratory in Florida. Deze magneet is vergelijkbaar met een magneet die u zou gebruiken om een ​​foto op uw koelkast te bevestigen, zegt Li, maar vele malen krachtiger. Een koelkastmagneet heeft een aantrekkingskracht van ongeveer 0,1 Tesla, een maateenheid voor het magnetische veld. De magneet in het laboratorium in Florida heeft een aantrekkingskracht van 45 Tesla. Dat is ongeveer 40 keer krachtiger dan de magneet die in een MRI-machine wordt gebruikt.

Om de efficiëntie van YbB12 te meten, Li liet een elektrische stroom door het monster lopen in aanwezigheid van de magneet. Vervolgens, hij onderzocht hoeveel de elektrische spanning door het monster daalde. Dat vertelde Li hoeveel weerstand er in het materiaal zat.

"We hebben eindelijk het juiste bewijs gekregen. We hebben een materiaal gevonden dat een goede isolator was aan de binnenkant, maar aan de oppervlakte was een goede geleider - zo goed dat we een elektrisch circuit op die geleider kunnen maken, "Zei Li. "Je kunt je voorstellen dat je een circuit kunt hebben dat zo snel beweegt als je je maar kunt voorstellen op een tiener, klein oppervlak. Dat is wat we hopen te bereiken voor toekomstige elektronica."

De studie verschijnt online in het tijdschrift Wetenschap .