Drie wetenschappers van de Universiteit van Chicago hebben de cijfers opgesteld, en ze geloven dat er een manier kan zijn om een ​​materiaal te maken dat zowel elektriciteit als energie kan geleiden met 100% efficiëntie - zonder ooit iets te verliezen aan hitte of wrijving.

De doorbraak, gepubliceerd op 18 februari in Fysieke beoordeling B , suggereert een raamwerk voor een geheel nieuw soort materie, die in de echte wereld zeer nuttige technologische toepassingen kunnen hebben. Hoewel de voorspelling gebaseerd is op theorie, pogingen zijn aan de gang om het experimenteel te testen.

"We begonnen met het proberen een heel fundamentele vraag te beantwoorden, om te zien of het zelfs mogelijk was - we dachten dat deze twee eigenschappen misschien onverenigbaar waren in één materiaal, " zei co-auteur en onderzoeksadviseur David Mazziotti, een professor in de chemie en het James Franck Institute en een expert in moleculaire elektronische structuur. "Maar tot onze verbazing we ontdekten dat de twee toestanden feitelijk verstrengeld raken op kwantumniveau, en zo elkaar versterken."

Aangezien er een onnoemelijke hoeveelheid energie verloren gaat via hoogspanningslijnen, motoren en machines elk jaar, wetenschappers staan ​​te popelen om efficiëntere alternatieven te vinden. "Op veel manieren, dit is de belangrijkste vraag van de 21e eeuw:hoe energie op te wekken en te verplaatsen met minimaal verlies, ' zei Mazziotti.

We weten al meer dan een eeuw over supergeleiders - een soort materiaal dat elektriciteit voor altijd kan geleiden met bijna nul verlies. Maar het was pas de laatste jaren dat wetenschappers erin geslaagd zijn om in het laboratorium een ​​soortgelijk materiaal te maken dat energie kan geleiden met bijna geen verlies, een excitoncondensaat genoemd.

Maar zowel supergeleiders als excitoncondensaten zijn lastige materialen om te maken en te laten functioneren - deels omdat wetenschappers niet volledig begrijpen hoe ze werken en de theorie erachter onvolledig is. We weten het wel, echter, die beide betrekking hebben op de werking van de kwantumfysica.

UChicago afgestudeerde student LeeAnn Sager begon zich af te vragen hoe de twee staten in hetzelfde materiaal konden worden gegenereerd. Mazziotti's groep is gespecialiseerd in het onderzoeken van de eigenschappen en structuren van materialen en chemicaliën met behulp van berekeningen, dus begon ze verschillende combinaties in een computermodel te pluggen. "We hebben veel mogelijkheden doorzocht, en toen tot onze verbazing, een regio gevonden waar beide staten samen konden bestaan, " ze zei.

Het lijkt erop dat in de juiste configuratie, de twee toestanden raken in feite verstrengeld - een kwantumfenomeen waarin systemen ongrijpbaar met elkaar worden verbonden. Dit daagt het conventionele idee uit dat de twee staten niets met elkaar te maken hebben, en kan een nieuw veld van dubbele exciton- en fermionpaarcondensaten openen.

Met behulp van wat geavanceerde wiskunde, ze toonden aan dat dankzij de kwantumverstrengeling, de dubbele condensaten zouden theoretisch zelfs bij de macroscopische grootte moeten bestaan, dat wil zeggen, zichtbaar voor het menselijk oog.

"Dit houdt in dat dergelijke condensaten realiseerbaar kunnen zijn in nieuwe materialen, zoals een dubbele laag supergeleiders, ' zei Sager.

De wetenschappers werken met experimentele groepen om te zien of de voorspelling kan worden bereikt in echte materialen.

"In staat zijn om supergeleiding en excitoncondensaten te combineren zou geweldig zijn voor veel toepassingen - elektronica, spintronica, kwantumcomputers, " zei Shiva Safaei, een postdoctoraal onderzoeker en de derde auteur op het papier. "Hoewel dit een eerste stap is, het ziet er veelbelovend uit."