Podoba je simbolična. Foto: Pixabay
Podoba je simbolična. Foto: Pixabay

Članek o opazovanju več elektronov in njihovih kvantnih učinkov v t. i. kvantnem kaosu je objavila znanstvena revija Nature Communications.

Kvantni kaos je pojav, do katerega pride v elektronskih napravah, katerih dimenzije se približujejo nekaj nanometrom. Uravnava vedenje elektronov v računalniških čipih in trenutno preprečuje njihovo nadaljnje manjšanje, je za Slovensko tiskovno agencijo pojasnil Dragan Mihailović, raziskovalec na Institutu Jožef Stefan (IJS).

Za opis pojava je mogoče uporabiti tudi prispodobo biljarda oziroma kvantnega biljarda, saj se elektroni v zaprtem prostoru obnašajo podobno kot krogle na mizi za biljard – zaradi omejenega prostora prihaja do trkov v robove ter med kroglami samimi. Ekipi je uspelo opazovati vedenje kvantnega biljarda v umetnih enakostraničnih trikotnikih s stranico, dolgo le dva nanometra, kar je velikost le šestih atomov.

Kvantni kaos je sicer problem, s katerim se fiziki in matematiki radi ukvarjajo, obnašanje enega elektrona v zaprtem prostoru pa napoveduje tudi Schrödingerjeva enačba. A pri več elektronih, omejenih na majhen prostor, se stvari zapletejo.

Naprava za opazovanje kvantnega kaosa

Dragan Mihailović. Foto: BoBo/Borut Živulović
Dragan Mihailović. Foto: BoBo/Borut Živulović

Mihailovićevi skupini je uspelo demonstrirati kvantni kaos v izjemno majhnih vezjih, za kar so morali v okviru sodelovanja med Institutom Jožef Stefan in Nanocentrom razviti in izdelati tudi edinstveno napravo, ki omogoča doseganje nizkih temperatur z laserskim osvetljevanjem in več konicami za opazovanje poti elektronov.

Kot je pojasnil član ekipe Jan Ravnik s švicarskega Inštituta Paula Scherrerja, so morali za opazovanje poti ustvariti izjemno majhna vezja velikosti le nekaj atomov. "Takšna vezja nam je uspelo ustvariti s pomočjo ultra kratkih laserskih pulzov, s katerimi smo pretransformirali eno samo atomsko plast v tantalovem disulfidu," materialu, ki je pomemben pri razvoju računalnikov, je še dejal Ravnik.

Meritve v pogojih, v katerih delujejo tudi kvantni računalniki

Kot je še pojasnil Ravnik, so tirnice elektronov preučevali z vrstičnim tunelskim mikroskopom pri izjemno nizkih temperaturah in izjemno visokem vakuumu, kar so tudi pogoji za delovanje kvantnega računalnika.

Poleg tega je za opazovanje kakršnih koli kvantnih učinkov treba zagotoviti izjemno nizke temperature, saj bi bilo sicer preveč termičnih vplivov. Opazovani prostor pa mora biti izjemno majhen, saj bi bilo opazovanje sicer nemogoče zaradi majhnosti delcev, ki bi jih v večjem prostoru kaj hitro izgubili.

Zahtevni izračuni tirnic elektronov

Odkritje slovenskih znanstvenikov korak naprej za superračunalnike

Jaka Vodeb z Instituta Jožef Stefan je pojasnil, da je za klasični računalnik izziv izračunati tirnico elektrona v kvantnem biljardu, a so uspeli izračunati tirnice elektronov, ki so jih pričakovali v strukturah različnih velikosti v okviru raziskave.

Raziskava, ki jo poleg Mihailovića, Ravnika in Vodeba podpisujejo še Jevgenij Vaskivski, Polona Aupič, Igor Vaskivski, Denis Golež, Jaroslav Gerasimenko ter Viktor Kabanov, omogoča nov vpogled v razumevanje kaotičnega obnašanja elektronov v vezjih velikosti posameznih atomov. S tem lahko odpre pot do nadaljnje miniaturizacije in uporabe novih materialov v prihodnjih kvantnih in klasičnih računalnikih, še piše Slovenska tiskovna agencija.