Квантовые кристаллы: как учёные из Оберна открыли путь к новой технологической революции

Учёные из Университета Оберна (Auburn University, США) представили уникальный тип материалов, который может полностью изменить представления о вычислительной технике и химическом производстве. Эти вещества, названные «поверхностно иммобилизованными электридами» (Surface Immobilized Electrides), позволяют управлять движением свободных электронов — и именно это открывает путь к созданию квантовых компьютеров нового поколения и более эффективных промышленных катализаторов.

Электроны — основа всего

Электроны лежат в основе большинства физических и химических процессов: они обеспечивают передачу энергии, образование химических связей и электрическую проводимость. Всё — от микросхем и солнечных батарей до искусственного интеллекта и катализаторов — зависит от того, как электроны движутся и взаимодействуют внутри вещества.

Однако в обычных материалах электроны связаны с атомами, что ограничивает их использование. В так называемых электридах ситуация иная — электроны могут двигаться свободно, не принадлежа ни одному конкретному атому. Это открывает путь к принципиально новым свойствам вещества, которые природа сама по себе не создаёт. «Научившись управлять свободными электронами, мы сможем проектировать материалы, способные на то, чего не существует в природе», — объясняет руководитель исследования, доцент химии Университета Оберна Эвангелос Милиордос.

Новый тип электридов

Команда Оберна создала материалы, в которых предшественники растворённых электронов (solvated electron precursors) прикрепляются к устойчивым поверхностям, таким как алмаз или карбид кремния. Это делает электроны в структуре одновременно стабильными и управляемыми, а сами материалы — масштабируемыми и пригодными для практического применения. В зависимости от того, как упорядочены молекулы, электроны могут: собираться в изолированные «островки», функционирующие как квантовые биты для вычислений будущего; или растекаться по поверхности, формируя своеобразное «море» электронов, которое может усиливать каталитические реакции и ускорять химическое производство. Такое сочетание стабильности и гибкости делает открытие поистине революционным.

Один тип этих материалов способен стать основой квантовых процессоров, которые смогут решать задачи, недостижимые для современных компьютеров. Другой — послужить базой для новых катализаторов, способных ускорить производство топлива, медикаментов и промышленных материалов, снижая затраты и количество стадий обработки.

От теории к реальности

Предыдущие версии электридов были крайне нестабильны и непригодны для масштабного производства. Исследователи из Оберна решили эту проблему, закрепив материалы прямо на твёрдых поверхностях, что делает их устойчивыми к внешним воздействиям. «Это фундаментальная наука, но она имеет совершенно реальные последствия, — говорит ассистент-профессор материаловедения Константин Клюкин. — Мы говорим о технологиях, которые могут изменить то, как мы вычисляем и как производим».

На стыке физики, химии и инженерии

Работа объединила специалистов из разных областей — химии, физики и материаловедения. В команде также участвовали аспиранты Андрей Евдокимов и Валентина Нестерова. Исследование поддержано Национальным научным фондом США (NSF) и вычислительными ресурсами Университета Оберна. «Наше открытие показывает новый путь к управляемым материалам, которые соединяют теоретические исследования с практическими возможностями», — подчёркивает доцент физики Марсело Курода.

Мир, где электроны под контролем

Результаты опубликованы в журнале ACS Materials Letters под названием “Electrides with Tunable Electron Delocalization for Applications in Quantum Computing and Catalysis”. Учёные уверены, что это лишь начало. Управляя поведением свободных электронов, можно не только создавать материалы с уникальными свойствами, но и приблизить человечество к миру, где компьютеры думают как мозг, а фабрики создают сложные соединения быстрее и дешевле, чем когда-либо прежде. Как отмечает Милиордос, «если нам удастся приручить свободные электроны, мы сможем построить будущее, где техника станет умнее, химия — точнее, а наука — ещё ближе к чуду».

• Грибы как компьютерные чипы: учёные создают «живую память» из шиитаке
• Учёные создали трёхслойное микрофлюидное устройство для сверхэффективного охлаждения электроники
• Обычный кристалл оказался идеальным материалом для технологий на сверхнизких температурах
• Учёные научились превращать снимки атомно-силового микроскопа в точные 3D-модели движений белков
• Учёные создали уникальный гидрогель для «неклонируемых» меток безопасности
• Роботы нового поколения: в Caltech создали систему, которая может ходить, ездить и летать
• Учёные создали 3D-печатные материалы, которые полностью гасят вибрации
• Телескоп «Джеймс Уэбб» показал рождение тысяч новых звёзд в «Омара»