Γιατί ορισμένα κβαντικά υλικά αναπτύσσονται ενώ άλλα μένουν στάσιμα

Στις μέρες μας, τα κβαντικά υλικά θεωρούνται από πολλούς ως εξωτικές περιέργειες, προϊόντα που προκύπτουν από τις θεμελιώδεις αρχές της κβαντικής μηχανικής. Ωστόσο, κάποια από αυτά τα υλικά έχουν ήδη ενσωματωθεί στην καθημερινότητά μας, από τους σκληρούς δίσκους των υπολογιστών μας μέχρι τις οθόνες των τηλεοράσεών μας και τις ιατρικές συσκευές. Παρ’ όλα αυτά, η πλειονότητα των κβαντικών υλικών δεν καταφέρνει να ξεφύγει από τα όρια του εργαστηρίου.

Η πρόκληση της εμπορικής επιτυχίας

Τι είναι αυτό που καθιστά ορισμένα κβαντικά υλικά εμπορικές επιτυχίες, ενώ άλλα παραμένουν ανεκμετάλλευτα; Αν οι ερευνητές μπορούσαν να απαντήσουν σε αυτή την ερώτηση, θα μπορούσαν να εστιάσουν την προσοχή τους σε πιο υποσχόμενα υλικά, κάτι που είναι εξαιρετικά σημαντικό δεδομένου ότι μπορεί να περάσουν χρόνια μελετώντας ένα μόνο υλικό.

Οι ερευνητές του MIT έχουν αναπτύξει ένα σύστημα αξιολόγησης της δυνατότητας κλιμάκωσης των κβαντικών υλικών. Το πλαίσιο αυτό συνδυάζει τη συμπεριφορά ενός υλικού στο επίπεδο της κβαντικής μηχανικής με το κόστος του, την αντοχή της αλυσίδας εφοδιασμού, το περιβαλλοντικό του αποτύπωμα και άλλους παράγοντες. Μέσω αυτής της προσέγγισης, αξιολόγησαν πάνω από 16.000 υλικά, ανακαλύπτοντας ότι εκείνα με τη μεγαλύτερη κβαντική διακύμανση στο κέντρο των ηλεκτρονίων τους τείνουν να είναι πιο ακριβά και περιβαλλοντικά επιβαρυντικά. Παράλληλα, εντόπισαν έναν αριθμό υλικών που επιτυγχάνουν ισορροπία μεταξύ κβαντικής λειτουργικότητας και βιωσιμότητας για περαιτέρω μελέτη.

Μια νέα κατεύθυνση για την έρευνα

Η ομάδα ελπίζει ότι η προσέγγισή τους θα καθοδηγήσει την ανάπτυξη πιο εμπορικά βιώσιμων κβαντικών υλικών που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την επόμενη γενιά μικροηλεκτρονικών εφαρμογών, για συλλογή ενέργειας, ιατρικές διαγνώσεις και άλλα.

«Οι άνθρωποι που μελετούν τα κβαντικά υλικά είναι πολύ εστιασμένοι στις ιδιότητές τους και στην κβαντική μηχανική», λέει ο Mingda Li, αναπληρωτής καθηγητής πυρηνικών επιστημών και μηχανικής και κύριος συγγραφέας της μελέτης. «Για κάποιο λόγο, υπάρχει μια φυσική αντίσταση κατά τη θεμελιώδη έρευνα των υλικών να σκεφτούν το κόστος και άλλους παράγοντες. Κάποιοι μου είπαν ότι θεωρούν αυτούς τους παράγοντες ως πολύ “μαλακούς” ή μη σχετικούς με την επιστήμη. Αλλά πιστεύω ότι μέσα σε 10 χρόνια, οι άνθρωποι θα σκέφτονται ρουτίνα το κόστος και τον περιβαλλοντικό αντίκτυπο σε κάθε στάδιο της ανάπτυξης.»

Η μελέτη και οι συντελεστές της

Η μελέτη δημοσιεύεται στο Materials Today. Συμμετέχουν οι πρώτοι συγγραφείς και διδακτορικοί φοιτητές Artittaya Boonkird, Mouyang Cheng και Abhijatmedhi Chotrattanapituk, μαζί με τους διδακτορικούς φοιτητές Denisse Cordova Carrizales και Ryotaro Okabe, πρώην βοηθοί ερευνητές Thanh Nguyen και Nathan Drucker, μεταδιδακτορικός συνεργάτης Manasi Mandal, εκπαιδευτής Ellan Spero του Τμήματος Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών, καθηγήτρια Christine Ortiz του ίδιου τμήματος, καθηγητής Liang Fu του Τμήματος Φυσικής, καθηγητής Tomas Palacios του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Επιστήμης Υπολογιστών, αναπληρώτρια καθηγήτρια Farnaz Niroui του ίδιου τμήματος, επίκουρος καθηγητής Jingjie Yeo του Πανεπιστημίου Cornell, και διδακτορικός φοιτητής Vsevolod Belosevich και επίκουρη καθηγήτρια Qiong Ma του Boston College.

Υλικά με πραγματικό αντίκτυπο

Οι Cheng και Boonkird αναφέρουν ότι οι ερευνητές της επιστήμης των υλικών συχνά ελκύονται από τα κβαντικά υλικά με τις πιο εξωτικές ιδιότητες, παρά από εκείνα που είναι πιο πιθανό να χρησιμοποιηθούν σε προϊόντα που θα αλλάξουν τον κόσμο.

«Οι ερευνητές δεν σκέφτονται πάντα το κόστος ή τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις των υλικών που μελετούν», λέει ο Cheng. «Αλλά αυτοί οι παράγοντες μπορούν να κάνουν τα υλικά αδύνατα να χρησιμοποιηθούν.»

Ο Li και οι συνεργάτες του ήθελαν να βοηθήσουν τους ερευνητές να εστιάσουν σε κβαντικά υλικά με περισσότερες πιθανότητες να υιοθετηθούν από τη βιομηχανία. Για τη μελέτη αυτή, ανέπτυξαν μεθόδους αξιολόγησης παραγόντων όπως η τιμή των υλικών και ο περιβαλλοντικός τους αντίκτυπος χρησιμοποιώντας τα στοιχεία που τα απαρτίζουν και τις κοινές πρακτικές εξόρυξης και επεξεργασίας αυτών των στοιχείων. Ταυτόχρονα, ποσοτικοποίησαν το επίπεδο «κβαντικότητας» των υλικών χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο AI που δημιουργήθηκε από την ίδια ομάδα πέρυσι, βασισμένο σε μια έννοια που πρότεινε ο καθηγητής φυσικής του MIT, Liang Fu, με την ονομασία κβαντικό βάρος.

Η σημασία του κβαντικού βάρους

«Για πολύ καιρό, δεν ήταν σαφές πώς να ποσοτικοποιήσουμε την κβαντικότητα ενός υλικού», λέει ο Fu. «Το κβαντικό βάρος είναι πολύ χρήσιμο για αυτόν τον σκοπό. Βασικά, όσο υψηλότερο είναι το κβαντικό βάρος ενός υλικού, τόσο πιο κβαντικό είναι.»

Οι ερευνητές επικεντρώθηκαν σε μια κατηγορία κβαντικών υλικών με εξωτικές ηλεκτρονικές ιδιότητες, γνωστά ως τοπολογικά υλικά, και τελικά απέδωσαν σε περισσότερα από 16.000 υλικά βαθμολογίες για τον περιβαλλοντικό τους αντίκτυπο, την τιμή, την ανθεκτικότητα εισαγωγής και άλλα.

Για πρώτη φορά, οι ερευνητές βρήκαν μια ισχυρή συσχέτιση μεταξύ του κβαντικού βάρους του υλικού και του πόσο ακριβό και περιβαλλοντικά επιβαρυντικό είναι.

«Αυτή είναι χρήσιμη πληροφορία επειδή η βιομηχανία πραγματικά θέλει κάτι πολύ χαμηλού κόστους», λέει η Spero. «Ξέρουμε τι πρέπει να ψάχνουμε: υλικά με υψηλό κβαντικό βάρος και χαμηλό κόστος. Πολύ λίγα υλικά που αναπτύσσονται πληρούν αυτά τα κριτήρια, και αυτό πιθανώς εξηγεί γιατί δεν κλιμακώνονται στη βιομηχανία.»

Επιλογή βιώσιμων υλικών

Οι ερευνητές εντόπισαν 200 περιβαλλοντικά βιώσιμα υλικά και περαιτέρω περιόρισαν τη λίστα σε 31 υποψήφια υλικά που επιτυγχάνουν μια βέλτιστη ισορροπία μεταξύ κβαντικής λειτουργικότητας και υψηλού δυναμικού αντίκτυπου.

Επίσης, διαπίστωσαν ότι αρκετά ευρέως μελετημένα υλικά παρουσιάζουν υψηλές βαθμολογίες περιβαλλοντικού αντίκτυπου, υποδεικνύοντας ότι θα είναι δύσκολο να κλιμακωθούν με βιώσιμο τρόπο. «Η εξέταση της κλιμάκωσης της παραγωγής και της περιβαλλοντικής διαθεσιμότητας και επιπτώσεων είναι κρίσιμη για να διασφαλιστεί η πρακτική υιοθέτηση αυτών των υλικών στις αναδυόμενες τεχνολογίες», λέει η Niroui.

Καθοδήγηση της έρευνας

Πολλά από τα τοπολογικά υλικά που αξιολογήθηκαν στη μελέτη δεν έχουν ποτέ συντεθεί, γεγονός που περιόρισε την ακρίβεια των προβλέψεων για το περιβαλλοντικό και το κόστος. Αλλά οι συγγραφείς αναφέρουν ότι οι ερευνητές ήδη συνεργάζονται με εταιρείες για να μελετήσουν κάποια από τα υποσχόμενα υλικά που εντοπίστηκαν στη μελέτη.

«Μιλήσαμε με ανθρώπους σε εταιρείες ημιαγωγών που είπαν ότι κάποια από αυτά τα υλικά ήταν πραγματικά ενδιαφέροντα για αυτούς, και οι συνεργάτες μας χημικοί επίσης εντόπισαν μερικά υλικά που βρίσκουν πραγματικά ενδιαφέροντα μέσα από αυτή τη δουλειά», λέει ο Palacios. «Τώρα θέλουμε να μελετήσουμε πειραματικά αυτά τα φθηνότερα τοπολογικά υλικά για να κατανοήσουμε καλύτερα την απόδοσή τους.»

«Τα ηλιακά κύτταρα έχουν ένα όριο αποδοτικότητας 34 τοις εκατό, αλλά πολλά τοπολογικά υλικά έχουν ένα θεωρητικό όριο 89 τοις εκατό. Επιπλέον, μπορείτε να συλλέξετε ενέργεια σε όλα τα ηλεκτρομαγνητικά φάσματα, συμπεριλαμβανομένης της θερμότητας του σώματός μας», λέει ο Fu. «Αν μπορούσαμε να φτάσουμε αυτά τα όρια, θα μπορούσατε εύκολα να φορτίσετε το κινητό σας τηλέφωνο χρησιμοποιώντας τη θερμότητα του σώματος. Αυτές είναι αποδόσεις που έχουν αποδειχθεί σε εργαστήρια, αλλά ποτέ δεν κατάφεραν να κλιμακωθούν. Αυτό είναι το είδος του πράγματος που προσπαθούμε να προωθήσουμε.»

Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε, εν μέρει, από το National Science Foundation και το Υπουργείο Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών.