Vitenskapen er på randen av en materialrevolusjon – The Irish Times

Se for deg en verden hvor supersterke, superlette, fleksible og holdbare nye materialer som ikke finnes i naturen kan lages på bestilling. Nye gjennombrudd i forståelsen av “spinn”, et kjennetegn ved subatomære partikler – som masse og ladning – betyr at vi er på randen av en slik revolusjon.

“Evnen til å kontrollere spinn, en av de grunnleggende egenskapene til partikler, er avgjørende for at vi skal kunne designe avanserte nye materialer som vil forandre verden,” sier professor Alessandro Lunghi, fysiker ved Trinity College Dublin, som leder et team undersøker fenomenet.

De vitenskapelige begrepene partikkelmasse og ladning er allment forstått og kjent, men den tredje egenskapen til partikler – spinn – forblir mystisk for de fleste. Det er et konsept som selv mange forskere sliter med å forstå.

“Dette er en vanskelig en,” sier Lunghi. “På begynnelsen av 1900-tallet, da spinn først ble oppdaget, ble det kalt spinn fordi den matematiske ligningen som beskrev oppførselen til denne egenskapen til partikler, lignet den som også beskrev en klassisk stiv kropp som roterer – eller spinner – på seg selv.

“Den første gangen folk kanskje hørte om spinn på skolen, kan ha vært da en lærer ba dem forestille seg et elektron, en liten kule med elektrisk ladning, som spinner på seg selv, enten med eller mot klokken,” legger han til.

“Vi vet at denne typiske beskrivelsen av spinn er veldig langt fra virkeligheten av hva spinn er,” bemerker Lunghi. “Det kan bare forstås fullt ut ved å komme helt ned til kvantemekanikkens grove, men det er et utgangspunkt.”

Partikkelspinn oppstår i den subatomære verden der kvantefysikkens rare lover gjelder. Dette er en verden av muligheter – men få sikkerheter – hvor noe kan være to ting på en gang, eller til og med på to steder samtidig.

Ulike partikler har forskjellig spinn, og dette påvirker om de trekkes til å komme sammen i sterke kjemiske bindinger eller frastøte hverandre. Det er også sant at spinn lett kan forstyrres av bittesmå bevegelser i miljøet; noe som har vært kjent siden minst 1940-tallet.

Schrodinger-ligningen gir som kjent midler til å beregne hvordan partikler vil oppføre seg på kvantenivå. Disse beregningene er vanskelige, men gjøres mye enklere ved bruk av kraftige superdatamaskiner, slik som de som er tilgjengelige gjennom Irish Center for High-End Computing (ICHEC).

Lunghi-teamet ved TCD brukte ICHEC-fasiliteter for å bruke Schrodinger-ligningen for å bedre forstå spinn, og for å finne ut hvordan molekylær bevegelse kan forstyrre partikkelspinn. Denne banebrytende forskningen ble publisert i Science Advances.

“Vi ønsker å studere spinn, for å akselerere utviklingen av nye materialer,” sier Lunghi. “Det er et uendelig antall molekyler og forbindelser som utgjør materialer, som vi kan produsere i laboratoriet, men vi ønsker å fokusere på å utvikle de som er mest lovende, og å gjøre dette raskere.”

Målet til Lunghi og kollegene hans er å bruke kunstig intelligens (AI) og maskinlæring for å se på informasjon, akkumulert over mange tiår med partikkelforskning og behandle den på mer smarte måter. “Det betyr at i stedet for å lese et uendelig antall vitenskapelige artikler for å prøve å komme opp med en “oppskrift” på nytt materiale, bruker vi datamaskiner til å gjøre det. Vi har begynt å utvikle algoritmer i laboratoriet mitt som kan gjøre dette, og de tidlige resultatene er veldig oppmuntrende.”

applikasjoner

Studiet av partikkelspinn er langt fra å være en akademisk øvelse, og det brukes allerede på sentrale områder. Utnyttelsen av spinn er kjernen i magnetisk resonansbildeteknologi (MRI) som produserer detaljerte anatomiske bilder fra innsiden av kroppen på en sikker og ikke-invasiv måte.

“Vi snakker ofte om mulige spinnretninger for en partikkel med en spinntype som konverteres til en annen,” sier Lunghi. “Med en MR-skanning måler du konverteringsraten for en spinntype til en annen, og det er dette som gir kontrastene mellom kroppsvev under skanningen.”

Spinn er også noe veldig viktig for magneter, som er rundt oss, fra de lekne magnetene som vi setter på kjøleskapet til elbilene vi kjører, eller harddiskene som lagrer bilder av bildene vi tok på ferie.

Industrien er alltid opptatt av å finne nye og bedre magneter for nye bruksområder. Til nå har dette vist seg ekstremt vanskelig, men ny innsikt i spinn kan endre det.

Fysikere som Lunghi gir større innsikt i spinn og hvordan det fungerer. Det er avgjørende viktig, men den store utfordringen for fremtiden er å finne måter å kontrollere spinn på og å bruke dette til å utvikle nye kvantesensorer.

Det faktum at spinn er så følsom for små endringer i miljøet betyr at den kan brukes veldig effektivt i bedre, mer følsomme og effektive kvantesensorer.

“Spin er en veldig spennende og skjør egenskap av partikler og forstyrrer veldig lett,” sier Lunghi. “Allikevel, hvis vi har noe som lett blir forstyrret av miljøet, kan vi bruke det til å sanse selve miljøet. Atomer slingrer rundt, og denne konstante atombevegelsen forstyrrer spinn, og det er det vi prøver å kjempe mot.»

“Vår nylige artikkel i Science Advances handlet om å prøve å forstå det,” sier han. “Hvis vi kan oppnå spinnstabilisering, åpner det døren til en verden av nye, avanserte materialer som vi kan utvikle i fremtiden.”

Spinnkontroll, sier Lunghi, kan føre til design av nye materialer som kvantesensorer, magneter eller MR-kontrastmidler. “I laboratoriet mitt bruker vi maskinlæring for å fremskynde utformingen av spinnbaserte materialer på en lignende måte som andre mennesker gjør det for å fremskynde utformingen av narkotika.”

Grafen: manipulere naturen ned til nivået av enkeltatomer

Prof Jonathan Coleman er leder for fysikkskolen ved TCD, og ​​hovedetterforsker ved Science Foundation Ireland Center for Advanced Materials and Bioengineering Research (Amber), hvor Lungi også jobber.

Coleman, selv om han ikke er involvert i å undersøke spinn, er veldig involvert i utviklingen av avanserte nye materialer gjennom manipulering av atomer og molekyler – og på å utvikle nye applikasjoner som kan forandre verden.

Et materiale han er spesielt interessert i er grafen, en type karbon som er laget av et todimensjonalt, enkelt lag med atomer. Grafitt – ting i blyanter – består av lag med grafen, arrangert som en kortstokk. Colemans gruppe oppdaget en måte å lage disse arkene på.

“I grafitt er disse byggeblokkene av karbon bare ett atom tykke,” sier Coleman. “Vi kan lage disse ett atom-tykke arkene og bruke dem i nye applikasjoner. Vi kan manipulere naturen, ned til nivået til enkeltatomet.»

Grafitt er ikke det eneste lagdelte materialet rundt. Det er, sier Coleman, tusenvis av lagdelte materialer. “Det er viktig fordi disse materialene har forskjellige egenskaper enn grafen og kan brukes til forskjellige ting,” sier han.

“Det viste seg at den virkelige styrken og viktigheten av metoden vår for å lage grafen var at den kunne brukes til å lage alle disse andre lagdelte 2D-materialene. Vi har brukt denne metoden for kanskje 30 materialer frem til dette punktet.”

“Du har kanskje et 2D-materiale som er et fantastisk batterielektrodemateriale,” sier Coleman. Eller du har kanskje et 2D-materiale som er en fantastisk halvleder for å lage en transistor. Eller du kan ha et 2D-materiale som er supersterkt, for å legge i en plast for å forsterke plasten.»

“Vi kan lage massevis av forskjellige 2D-materialer, avhengig av hvilke applikasjonsstudier vi ønsker å gjøre,” legger han til.