İnsanlar, özellikleri kuantum mekaniksel etkilerden kaynaklanan kuantum malzemelerinin egzotik meraklar olduğunu düşünme eğilimindedir. Ancak bazı kuantum malzemeleri bilgisayarlarımızın sabit disklerinin, TV ekranlarının ve tıbbi cihazlarımızın her yerde bulunan bir parçası haline geldi. Yine de kuantum malzemelerinin büyük çoğunluğu laboratuvar dışında pek bir şey başaramıyor.
Bazı kuantum malzemelerinin ticari başarısını, diğerlerinin ise ticari açıdan alakasız olmasını sağlayan şey nedir? Araştırmacılar bilselerdi çabalarını daha umut verici materyallere yönlendirebilirlerdi; tek bir materyal üzerinde yıllarını harcayacakları için bu çok önemli.
Şimdi, MIT araştırmacıları kuantum materyallerin ölçek büyütme potansiyelini değerlendirmek için bir sistem geliştirdiler. Çerçeveleri, bir malzemenin kuantum davranışını maliyeti, tedarik zinciri esnekliği, çevresel ayak izi ve diğer faktörlerle birleştirir.
Araştırmacılar kendi çerçevelerini 16.000’den fazla malzemeyi değerlendirmek için kullandılar ve elektronlarının merkezlerinde en yüksek kuantum dalgalanmasına sahip malzemelerin aynı zamanda daha pahalı ve çevreye zarar verici olma eğiliminde olduğunu buldular. Araştırmacılar ayrıca daha ileri araştırmalar için kuantum işlevselliği ile sürdürülebilirlik arasında denge sağlayan bir dizi malzeme de belirlediler.
Ekip, yaklaşımlarının yeni nesil mikroelektronik, enerji toplama uygulamaları, tıbbi teşhis ve daha fazlası için kullanılabilecek, ticari olarak daha uygun kuantum malzemelerinin geliştirilmesine rehberlik edeceğini umuyor. Çalışmaları dergide yayınlandı Bugünün Malzemeleri.
Nükleer bilim ve mühendislik doçenti ve çalışmanın kıdemli yazarı Mingda Li, “Kuantum malzemeleri üzerinde çalışan insanlar, bunların özelliklerine ve kuantum mekaniğine çok odaklanıyorlar” diyor. “Bazı nedenlerden dolayı, temel malzeme araştırmaları sırasında maliyetler ve diğer faktörler hakkında düşünmeye karşı doğal bir dirençleri var. Bazıları bana bu faktörlerin çok ‘yumuşak’ olduğunu veya bilimle ilgili olmadığını düşündüklerini söyledi. Ancak bence 10 yıl içinde insanlar, geliştirmenin her aşamasında rutin olarak maliyet ve çevresel etkiyi düşünecek.”
Darbeye neden olan malzemeler
Ortak yazarlar Mouyang Cheng ve Artittaya Boonkird, malzeme bilimi araştırmacılarının genellikle dünyayı değiştirecek ürünlerde kullanılması muhtemel olanlardan ziyade en egzotik kuantum özelliklerine sahip kuantum malzemelerine yöneldiklerini söylüyorlar.
Cheng, “Araştırmacılar her zaman inceledikleri materyallerin maliyetlerini veya çevresel etkilerini düşünmüyorlar” diyor. “Fakat bu faktörler onlarla herhangi bir şey yapılmasını imkansız hale getirebilir.”
Li ve işbirlikçileri, araştırmacıların endüstri tarafından benimsenme potansiyeli daha fazla olan kuantum malzemelerine odaklanmasına yardımcı olmak istedi. Bu çalışma için, malzemelerin fiyatı ve çevresel etkisi gibi faktörleri, kendi unsurlarını ve bu unsurların çıkarılması ve işlenmesine yönelik ortak uygulamaları kullanarak değerlendirmek için yöntemler geliştirdiler. Aynı zamanda, MIT fizik profesörü Liang Fu tarafından önerilen ve kuantum ağırlığı olarak adlandırılan bir kavrama dayalı olarak, aynı grup tarafından geçen yıl oluşturulan bir yapay zeka modelini kullanarak malzemelerin “kuantumluk” düzeyini ölçtüler.
Fu, “Uzun süredir bir malzemenin kuantumunun nasıl ölçüleceği belirsizdi” diyor. “Kuantum ağırlığı bu amaç için çok faydalıdır. Temel olarak, bir malzemenin kuantum ağırlığı ne kadar yüksekse, o kadar kuantumdur.”
Araştırmacılar, topolojik malzemeler olarak bilinen egzotik elektronik özelliklere sahip bir kuantum malzeme sınıfına odaklandılar ve sonunda çevresel etki, fiyat, ithalat esnekliği ve daha fazlasına göre 16.000’den fazla malzeme puanı atadılar.
Araştırmacılar ilk kez malzemenin kuantum ağırlığı ile ne kadar pahalı ve çevreye zarar verici olduğu arasında güçlü bir korelasyon buldu.
Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü eğitmeni Ellan Spero, “Bu yararlı bir bilgi çünkü endüstri gerçekten çok düşük maliyetli bir şey istiyor” diyor. “Ne aramamız gerektiğini biliyoruz: yüksek kuantum ağırlığı, düşük maliyetli malzemeler. Geliştirilmekte olan çok az malzeme bu kriterleri karşılıyor ve bu muhtemelen neden endüstriye ölçeklenemediklerini açıklıyor.”
Araştırmacılar, çevresel olarak sürdürülebilir 200 malzeme belirlediler ve listeyi, kuantum işlevselliği ile yüksek potansiyel etki arasında optimal bir denge sağlayan 31 malzeme adayına kadar daralttılar.
Araştırmacılar ayrıca, geniş çapta incelenen birçok malzemenin yüksek çevresel etki puanları sergilediğini ve bu da bunların sürdürülebilir bir şekilde ölçeklendirilmesinin zor olacağını gösterdi. Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri (EECS) Bölümü’nden Doçent Farnaz Niroui, “Üretim ve çevresel kullanılabilirliğin ve etkinin ölçeklenebilirliğini göz önünde bulundurmak, bu malzemelerin gelişen teknolojilerde pratik olarak benimsenmesini sağlamak açısından kritik öneme sahiptir” diyor.
Yol gösterici araştırma
Makalede değerlendirilen topolojik materyallerin çoğu hiçbir zaman sentezlenmedi ve bu da çalışmanın çevresel ve maliyet tahminlerinin doğruluğunu sınırladı. Ancak yazarlar, araştırmacıların makalede tanımlanan umut verici materyallerin bazılarını incelemek için halihazırda şirketlerle birlikte çalıştıklarını söylüyor.
EECS’den Profesör Tomas Palacios, “Yarı iletken şirketlerindeki insanlarla, bu malzemelerden bazılarının kendileri için gerçekten ilginç olduğunu söyledik ve kimyager işbirlikçilerimiz de bu çalışma aracılığıyla gerçekten ilginç buldukları bazı malzemeleri belirlediler” diyor. “Şimdi performanslarını daha iyi anlamak için bu ucuz topolojik malzemeleri deneysel olarak incelemek istiyoruz.”
Fu, “Güneş pillerinin verimlilik sınırı %34’tür, ancak birçok topolojik malzemenin teorik sınırı %89’dur. Ayrıca, vücut ısımız da dahil olmak üzere tüm elektromanyetik bantlarda enerji toplayabilirsiniz” diyor. “Bu sınırlara ulaşabilseydik, cep telefonunuzu vücut ısısını kullanarak kolayca şarj edebilirsiniz. Bunlar laboratuvarlarda kanıtlanmış ancak hiçbir zaman büyütülemeyen performanslardır. Bu, ileriye taşımaya çalıştığımız türden bir şey.”
