Nanotechnologia

Czym są „materiały kwantowe”?

Dynamiczny rozwój technologii niesie ze sobą rosnące zapotrzebowanie na specjalistyczne materiały o unikalnych, trudnych do uzyskania tradycyjnymi metodami właściwościach. W dobie nowych odkryć dotyczących zachowania się substancji na poziomie atomowym lub nawet subatomowym, rządzonego przez prawa mechaniki kwantowej, coraz częściej podejmuje się próby wykorzystania tej wiedzy do opracowania nowych typów materiałów o niespotykanych dotąd właściwościach. Te tzw. materiały kwantowe, ze względu na ogromną liczbę potencjalnych zastosowań, stanowią obecnie obszar intensywnych badań naukowych [1].

Właściwości wszystkich substancji wynikają z praw mechaniki kwantowej, które opisują fundamentalne zachowanie oraz interakcje cząstek subatomowych, w tym elektronów. W większości konwencjonalnych materiałów na poziomie makroskopowym ich właściwości mogą być opisane klasycznymi teoriami, które są niejako przybliżeniem teorii kwantowej. Jednak w ostatnich latach uwagę badaczy zwracają substancje, które wymykają się fizyce klasycznej. Materiały kwantowe można zdefiniować jako materiały, których właściwości nie da się wyjaśnić za pomocą klasycznych teorii fizycznych, nawet na poziomie makroskopowym [2]. Substancje te zachowują cechy wynikające wprost z praw fizyki kwantowej niezależnie od skali.

Szkło spinowe

Spin to własność cząstek elementarnych, będąca kwantowym odpowiednikiem klasycznego momentu pędu. Liczbowo jest on wyrażony za pomocą kwantowej liczby spinowej, której wartość dla elektronu wynosi . Określa się także kierunek spinu, dla elektronów w większości materiałów istnieją dwa dozwolone kierunki – „w górę” i „w dół”. Z istnieniem spinu związane jest również występowanie wewnętrznego momentu magnetycznego elektronu, dlatego jest to ważne pojęcie z perspektywy magnetycznych właściwości materiałów.

Stan materii zwany szkłem spinowym wyłania się z wzajemnej interakcji pomiędzy oddziaływaniami ferromagnetycznymi i antyferromagnetycznymi. Zwykle każde dwa sąsiadujące elektrony posiadają przeciwnie skierowane spiny, jednak w niektórych układach, ze względu na geometrię sieci atomowej, takie ustawienie jest niemożliwe, co prowadzi do chaotycznego ułożenia kierunków spinów elektronów w materiale. Zjawisko to nosi nazwę frustracji magnetycznej, a jego skutkiem jest degeneracja stanu podstawowego – istnienie wielu możliwych stanów o najniższej energii. Z punktu widzenia fizyki szkła spinowe, jako tzw. rozcieńczone półprzewodniki magnetyczne, są niezwykle interesującymi układami. Charakteryzują się one występowaniem nowego stanu magnetycznego, w którym momenty magnetyczne są niejako zamrożone w chaotycznych orientacjach, bez uporządkowania. Od tego właśnie wywodzi się nazwa tej klasy materiałów – tak jak struktura atomowa zwykłego szkła, struktura magnetyczna szkła spinowego jest nieuporządkowana (amorficzna).

Eksperymentalne badanie szkieł spinowych jest dość trudne ze względu na ich osobliwe właściwości, w szczególności występowanie bardzo długich czasów relaksacji, co powoduje trudności w uzyskaniu równowagi termodynamicznej w danej temperaturze. Materiały, w których obserwuje się stan szkła spinowego to m.in. stopy manganu i miedzi (CuMn), stopy żelaza i niklu lub manganu (FeNi, FeMn), stopy lantanowców (np. gadolinu), szkła metaliczne z domieszkami magnetycznymi, a także niektóre tlenki metali przejściowych.

Rys. 1 Porównanie ułożenia spinów w konwencjonalnym magnesie i szkle spinowym. W przeciwieństwie do klasycznego magnesu ferromagnetycznego, spiny w szkle spinowym ułożone są chaotycznie we wszystkich możliwych kierunkach [3].

Szkła spinowe nie mają obecnie bezpośredniego zastosowania, ale w celu wyjaśnienia ich natury opracowano nowe modele fizyczno-matematyczne, opisujące układy chaotyczne i nieuporządkowane. Jak się okazuje, teorie te są użyteczne również w innych dziedzinach nauki, m.in. w badaniach nad sieciami neuronowymi, algorytmach informatyki kwantowej czy teorii składania białek. Jako ciekawostkę można dodać, że te same teorie matematyczne znalazły zastosowanie w rozwiązywaniu skomplikowanych zagadnień z zakresu ekonomii i socjologii [4].

Kropki kwantowe

Jedną z  najintensywniej badanych kategorii materiałów kwantowych stanowią tzw. kropki kwantowe. Kropka kwantowa to struktura o rozmiarach nanometrycznych, która ogranicza ruch elektronów we wszystkich trzech wymiarach przestrzennych. To sprawia, że elektrony w kropce kwantowej mogą przyjmować tylko określone stany energetyczne, dozwolone przez prawa mechaniki kwantowej. Efekty kwantowe przyczyniają się do niezwykłych właściwości elektrycznych i optycznych kropek kwantowych. Wykazują one fotoluminescencję, przy czym długość fali emitowanej silnie zależy od budowy i rozmiaru kropek. Ze względu na mały rozmiar kropek występują stosunkowo niewielkie różnice pomiędzy energiami emitowanymi przez wzbudzone elektrony, co przekłada się na emisję pojedynczego koloru światła. Zwykle kropki kwantowe są zamknięte w tzw. strukturze rdzeń otoczka (ang. core-shell) w celu zapobiegania aglomeracji i lepszej dyspersji kropek w roztworze. Do pokrywania kropek używa się zwykle organicznych ligandów o długich łańcuchach węglowodorowych (np. kwas oleinowy).

Należy jednak zaznaczyć, że takie pokrycie może się wiązać ze zmniejszeniem efektywności kropek m.in. na skutek niepromienistej rekombinacji na defektach powłoki [5].  Materiały używane w produkcji kropek kwantowych to głównie nieorganiczne półprzewodniki, m.in. tellurek kadmu CdTe, selenek kadmu CdSe, tlenek cynku ZnO, fosforek indu InP. Prowadzone są również badania nad zastosowaniem innych substancji, np. materiałów perowskitowych.

Rys. 2 Rozmiar kropek kwantowych determinuje długość emitowanej fali, co pozwala uzyskać szeroką paletę barw. Im mniejsze kropki, tym krótsza długość fali emitowanego światła, czyli większe przesunięcie ku barwie niebieskiej [źródło fotografii: https://www.bu.edu/eng/2017/06/13/what-are-quantum-dots/].

Kropki kwantowe są najbardziej znane z ich użycia w nowoczesnych wyświetlaczach typu QLED, ale tak naprawdę ich wachlarz zastosowań, zarówno już wdrożonych, jak i potencjalnych, jest bardzo szeroki. Mogą być one stosowane w fotowoltaice, obrazowaniu medycznym, różnego rodzaju fotodetektorach i wielu innych dziedzinach.

Grafen

Mówiąc o materiałach kwantowych, nie sposób nie wspomnieć o prawdopodobnie najsłynniejszym przedstawicielu tej grupy materiałów – grafenie. Grafen to pojedyncza warstwa atomów węgla ułożonych w heksagonalną sieć. Wykazuje on szereg ciekawych właściwości, wiele z których wynika z zachodzących w nim efektów kwantowych. Struktura elektronowa grafenu sprawia, że jest on półmetalem posiadającym niezwykłe właściwości elektryczne, opisywane przez teorie kwantowe. Oddziaływanie elektronów z periodycznym potencjałem grafenu skutkuje powstaniem kwazicząstek, które można traktować jako elektrony pozbawione masy spoczynkowej, nazywane bezmasowymi fermionami Diraca. Przekłada się to na występowanie w grafenie tzw. przewodnictwa balistycznego, czyli całkowicie niezakłóconego przepływu nośników ładunku, a to z kolei umożliwia transport elektronów z niespotykanie dużą prędkością. Dodatkowo grafen posiada interesujące własności optyczne (m.in. absorbuje jedynie 2,3% padającego światła) i termiczne oraz jest niezwykle wytrzymały mechanicznie [7]. Potencjalne zastosowania grafenu obejmują takie obszary techniki, jak giętkie ekrany dotykowe, ogniwa fotowoltaiczne, wysokowydajne baterie i wiele innych.

Rys. 3 Górna ilustracja przedstawia wizualizację struktury grafenu. Dolna pokazuje a) zdjęcie mikroskopowe płatka grafenu oraz b) schemat struktury grafenu z podziałem sześciokątnej sieci na dwie trójkątne podsieci (taki podział jest używany w celu wyjaśnienia niektórych właściwości grafenu). Między atomami węgla występują silne wiązania kowalencyjne o długości 1,42 Å (angstrem, 1 Å = 10^-10 m) [8].

Metale kagome

Niezwykle interesującą grupą materiałów kwantowych są tzw. metale kagome. Ich nietypowe właściwości wynikają ze specyficznego ułożenia atomów zwanego siecią kagome. Nazwa wywodzi się od tradycyjnego japońskiego wzoru używanego do wyszywania koszyków, składającego się z przeplatanych trójkątów o wspólnych wierzchołkach. Materiały z siecią kagome już od kilku dekad fascynują naukowców, ponieważ dają wgląd w zjawiska kwantowe takie jak frustracja magnetyczna, topologia i inne. Najintensywniej badanymi metalami kagome są związki z grupy o ogólnym wzorze AV3Sb5 (gdzie A może oznaczać atom potasu, rubidu lub cezu), ale odkryto również inne związki o strukturze kagome, m.in. FeSn, ScOs2 i inne.

Rys. 4 Wizualizacja dwuwymiarowej sieci kagome [10].

Materiały te wykazują nadprzewodnictwo w niskich temperaturach, przez co są przydatne do badania tego zjawiska. Ponadto w metalach kagome stwierdzono jednoczesne występowanie dwóch różnych stanów elektronowych – nadprzewodnictwa oraz tzw. uporządkowania fali gęstości ładunku (najprościej mówiąc jest to stan, w którym elektrony tworzą falę stojącą i płyną w sposób silnie skorelowany, zachowując się trochę jak ciecz) [9]. Wyniki badań wskazują, że w metalach kagome zachodzi kaskadowa zmiana właściwości elektrycznych pod wpływem obniżenia temperatury [10]. Metale kagome są ważnym obiektem badań w celu zrozumienia natury nadprzewodnictwa i innych efektów kwantowych, jak również mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie w rozwiązaniach technicznych wymagających bezstratnego przesyłania energii.

Temat materiałów kwantowych jest niezwykle szeroki i złożony, i przedstawienie go w całości w ramach jednego tekstu jest praktycznie niemożliwe. Dlatego w tym artykule skupiono się na podstawach i nakreśleniu ogólnego zarysu tego zagadnienia, poprzez przytoczenie kilku najbardziej popularnych przedstawicieli tej grupy materiałów. Należy podkreślić, że badania nad materiałami kwantowymi są stosunkowo nową dziedziną materiałoznawstwa i zapewne potrzeba jeszcze dużo czasu, zanim staną się w pełni dojrzałą dyscypliną naukową. Fakt, że wciąż odkrywane są nowe, nieznane wcześniej efekty fizyki kwantowej zdaje się potwierdzać, że kryje ona jeszcze wiele tajemnic. Prężny rozwój materiałów kwantowych sugeruje jednak, że odkrywanie tych tajemnic może w przyszłości stać się paliwem dla rewolucji w inżynierii materiałowej na niespotykaną skalę.

Źródła:

1. „What are quantum materials?”, Frontier in Energy Research Newsletter

2. Robert Cava, Nathalie de Leon, and Weiwei Xie, “Introduction: Quantum Materials”, Chemical Reviews 2021 121 (5), 2777-2779

3. Radboud University Nijmegen, “New ‘Whirling’ State of Matter Discovered: Self-Induced Spin Glass”

4. Jean Philippe Bouchaud, Matteo Marsili, Jean-Pierre Nadal, “Application of spin glass ideas in social sciences, economics and finance”

5. Bina Gidwani, Varsha Sahu, Shiv Shankar Shukla et al., “Quantum dots: Prospectives, toxicity, advances and applications”, Journal of Drug Delivery Science and Technology, Volume 61, 2021, 102308, ISSN 1773-2247

6. Guerra, “Spin glasses”, Encyclopedia of Mathematical Physics, 2006

7. Gairik Sachdeva, “Graphene: The coolest material that shouldn’t exist”, Harvard University, 2011

8. Vijayaraghavan, A., & Iliut, M. (2017). Graphene. Springer Handbooks, 363–391

9. Duyen Nguyen, “New discoveries in kagome metals”

10. Brown University, “Researchers detail never-before-seen properties in a family of superconducting Kagome metals”