I materiali quantistici sono un tipo di strana sostanza che potrebbe essere molte volte più efficiente nel condurre l'elettricità attraverso i nostri iPhone rispetto al silicio conduttore comunemente usato, se solo i fisici potessero capire come funziona.

Un fisico dell'Università del Michigan si è avvicinato di un passo alla descrizione di un nuovo materiale quantistico, itterbio dodecaboride, o YbB12, e immaginare l'efficienza con cui l'elettricità viene condotta attraverso questo materiale. La dimostrazione della conduttività di questo materiale contribuirà alla comprensione da parte degli scienziati dello spin, carica, e il flusso di energia in questi materiali elettromagnetici.

YbB12 è un cristallo molto pulito che è insolito in quanto condivide le proprietà sia dei conduttori che degli isolanti. Questo è, l'interno sfuso di YbB12 è un isolante e non conduce elettricità, mentre la sua superficie è straordinariamente efficiente nel condurre l'elettricità. Ma i ricercatori dovevano essere in grado di misurare esattamente quanto è bravo a condurre l'elettricità questo materiale.

"Proprio adesso, stiamo usando un telefono per parlare. All'interno del telefono ci sono le sue parti chiave:un transistor in silicio che fa passare l'elettricità attraverso il dispositivo, " ha detto il capo progetto Lu Li, professore associato di fisica UM. "Questi semiconduttori di silicio utilizzano la maggior parte del proprio materiale per creare un percorso per la corrente elettrica. Ciò rende difficile rendere i dispositivi elettronici più veloci o più compatti".

Sostituire i transistor al silicio di un telefono con quelli realizzati con materiali quantistici renderebbe il telefono molto più veloce e molto più leggero. Questo perché i transistor all'interno del dispositivo condurrebbero elettricità molto rapidamente sulle loro superfici, ma potrebbe essere reso molto più piccolo, con un nucleo più leggero sotto uno strato dell'interno isolante del metallo.

I materiali quantistici non si limiterebbero ad alimentare i nostri telefoni. Potrebbero essere usati nell'informatica quantistica, un campo ancora agli inizi, ma che potrebbe essere utilizzato per la sicurezza informatica. I nostri computer attualmente funzionano elaborando i dati in cifre binarie:0 e 1. Ma c'è un limite alla velocità con cui i computer possono elaborare i dati in questo modo. Anziché, i computer quantistici userebbero le proprietà quantistiche degli atomi e degli elettroni per elaborare le informazioni, aprendo la possibilità di elaborare enormi volumi di informazioni molto più velocemente.

Li ha studiato YbB12 per comprendere la firma elettronica del materiale, che dice ai ricercatori quanto bene un materiale conduce l'elettricità. In un metallo pulito che conduce l'elettricità in modo molto efficiente, gli elettroni formano cluster all'interno dei metalli.

Le oscillazioni di questi cluster portano a oscillazioni della resistenza elettrica del materiale. Questa oscillazione indica ai ricercatori l'efficienza con cui il materiale è in grado di condurre l'elettricità. In questo studio, Li è stato in grado di misurare l'oscillazione della resistenza di un isolante sfuso, un problema che sta cercando di risolvere da quattro anni.

Per misurare questa oscillazione, Li ha usato un magnete molto potente situato in un laboratorio presso il National High Magnetic Field Laboratory in Florida. Questo magnete è simile a un magnete che useresti per fissare una foto sul tuo frigorifero, dice Li, ma molte volte più potente. Un magnete da frigo ha un'attrazione di circa 0,1 Tesla, un'unità di misura del campo magnetico. Il magnete del laboratorio della Florida ha un'attrazione di 45 Tesla. È circa 40 volte più potente del magnete utilizzato in una macchina per la risonanza magnetica.

Per misurare l'efficienza di YbB12, Li ha fatto passare una corrente elettrica attraverso il campione in presenza del magnete. Quindi, ha esaminato quanto la tensione elettrica è scesa in tutto il campione. Questo diceva a Li quanta resistenza fosse presente nel materiale.

"Finalmente abbiamo avuto le prove giuste. Abbiamo trovato un materiale che era un buon isolante al suo interno, ma in superficie c'era un buon conduttore, così buono che possiamo fare un circuito elettrico su quel conduttore, " Ha detto Li. "Puoi immaginare di poter avere un circuito che si muove più velocemente che si possa immaginare su un ragazzino, superficie minuscola. Questo è ciò che speriamo di ottenere per l'elettronica futura".

Lo studio appare online sulla rivista Scienza .