Прорыв, который может привести к широкому прогрессу в электрических, оптических и компьютерных технологиях.
Группа инженеров-электриков и материаловедов UCR продемонстрировала исследовательский прорыв, который может привести к широкому прогрессу в электрических, оптических и компьютерных технологиях.
Исследовательская группа Инженерного колледжа Марлана и Розмари Борнс, возглавляемая выдающимся профессором Александром Баландиным, продемонстрировала в лаборатории уникальную практическую функцию недавно созданных материалов, которые они назвали квантовыми композитами.
Эти композиты состоят из небольших кристаллов, называемых «квантовыми материалами с волной зарядовой плотности», включенных в полимерную матрицу (большие молекулы с повторяющимися структурами).
При нагревании или воздействии света материал волны плотности заряда претерпевает фазовый переход, который приводит к необычному электрическому отклику композитов. По сравнению с другими материалами, раскрывающими квантовые явления, квантовые композиты, созданные группой Баландина, проявляли функциональность в гораздо более широком диапазоне температур и обладали значительно повышенной способностью накапливать электричество, что давало им превосходный потенциал для использования.
Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде описывают уникальные свойства в статье под названием «Квантовые композиты с наполнителями с волновой плотностью заряда», опубликованной в журнале Advanced Materials.
Термин «квант» относится к материалам и устройствам, в которых электроны ведут себя скорее как волны, чем как частицы.
Волновая природа электронов может придавать материалам необычные свойства, которые используются в компьютерных, электронных и оптических технологиях нового поколения. Материалы, раскрывающие квантовые явления, необходимы для создания квантовых компьютеров, выходящих за рамки ограничений большинства вычислений, которые в настоящее время основаны на чипах, использующих двоичные биты для вычислений. Такие материалы также ищут для сверхчувствительных датчиков, используемых в различных электронных и оптических приложениях.
Но материалы с квантовыми явлениями имеют серьезные недостатки, сказал Баландин. «Проблема с этими материалами заключается в том, что квантовые явления хрупки и обычно наблюдаются только при экстремально низких температурах», — сказал он.
«Дефекты и примеси разрушают волновую функцию электрона».
Примечательно, что материал волны плотности заряда в квантовых композитах, созданных в лаборатории Баландина, проявлял функциональность на уровне 50º C выше комнатной температуры.
Эта температура перехода близка к температуре работы компьютеров и других электронных гаджетов, которые нагреваются при работе. Этот температурный допуск открывает возможность для широкого спектра применений квантовых композитов в электронике и хранении энергии. Исследователи также обнаружили, что квантовые композиты обладают необычно высокой диэлектрической проницаемостью — показателем, характеризующим способность материала накапливать электричество. Диэлектрическая проницаемость электроизоляционных композитов увеличилась более чем на два порядка, что позволяет использовать более компактные и мощные конденсаторы для хранения энергии.
«Конденсаторы для накопления энергии можно найти в приложениях с батарейным питанием», — сказал Баландин.
«Конденсаторы можно использовать для обеспечения пиковой мощности и подачи энергии для памяти компьютера во время неожиданного отключения. Конденсаторы могут заряжаться и разряжаться быстрее по сравнению с батареями. Чтобы расширить использование конденсаторов для хранения энергии, необходимо увеличить энергию. за объем. Наш квантовый композитный материал может помочь в достижении этой цели».
Еще одним возможным применением квантовых композитов является отражающее покрытие.
Изменение диэлектрической проницаемости, вызванное нагревом, воздействием света или приложением электрического поля, можно использовать для изменения отражения света от стекол и окон, покрытых такими композитами.
«Мы надеемся, что наша способность сохранять фазы квантового конденсата в материалах с волной зарядовой плотности даже внутри неупорядоченных композитов и даже при температуре выше комнатной может изменить правила игры для многих приложений. Это концептуально другой подход к настройке свойств композитов.
которые мы используем в повседневной жизни», — добавил Баландин.
Изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии, материала с волной плотности заряда, использованного при приготовлении композита (вверху).
И фотографии квантовых композитов, разработанных в Калифорнийском университете в Риверсайде.
(Images courtesy of Zahra Barani and Tekwam Geremew)
Источник: Zahra Barani, Tekwam Geremew, Megan Stokey, Nicholas Sesing, Maedeh Taheri, Matthew J. Hilfiker, Fariborz Kargar, Mathias Schubert, Tina T. Salguero, Alexander A. Balandin. Quantum Composites with Charge‐Density‐Wave Fillers. Advanced Materials, 2023; 2209708 DOI: 10.1002/adma.202209708