Kvantni ples za koji nisi znao da postoji

Stotinu femtosekundi. To je vremenski okvir u kojem se odvija ples koji bi mogao promijeniti način na koji gledamo na solarnu energiju, ekrane i sve one poluvodiče bez kojih ti mobitel u ruci ne bi radio. Međunarodni tim istraživača upravo je izvijestio o nečemu što zvuči kao spiritualna seansa u laboratoriju — izravno su promatrali kako se ekscitoni i fononi sinkronizirano kreću u perovskitnim nanokristalima, otkrivajući potpuno koherentan kvantni ples između svjetlošću induciranih elektronskih pobuđenja i vibracija kristalne rešetke. I objavili su to u Nature Communications, za one koji još uvijek vjeruju da je znanost dosadna.

E sad, da ti netko kaže da je ekipa sa sveučilišta napokon snimila kako atomi plešu u savršenom ritmu, vjerojatno bi pomislio na loš sci-fi film s početka devedesetih. Ali ovo nije Blade Runner. Ovo je stvarno. I ono što ga čini jebeno važnim nije samo činjenica da su uspjeli uhvatiti tu sinkronizaciju — nego što ona znači za cijelu industriju koja se desetljećima muči s efikasnošću pretvorbe energije. Perovskiti su, naime, materijal koji bi trebao zamijeniti silicij u solarnim ćelijama, ali imaju problem: gube energiju brže nego što tvoj laptop gubi Wi-Fi signal u kafiću. I upravo su ova otkrića prvi put pokazala zašto.

Jer evo u čemu je kvaka. Kad svjetlost pogodi perovskitni kristal, stvara se eksciton — par elektron-šupljina koji putuje kroz materijal. Taj put, međutim, nije besplatan. Eksciton se sudara s fononima, kvantima vibracijske energije rešetke, i gubi koherenciju. Dosad su istraživači mogli samo nagađati kako taj proces izgleda, jer su imali osjetljivost detektora približno jednaku onoj kad pokušavaš čuti šaptanje na rock koncertu u Areni Zagreb. Sada su, međutim, razvili tehniku koja im omogućuje da vide tu interakciju u stvarnom vremenu. I ono što su vidjeli — pa, nije lijepo. Ali je jebeno korisno.

Zamisli da imaš bend koji svira u savršenom taktu. Bubanj, bas, gitara — svi u istoj sobi, svi čuju jedni druge, svi dišu zajedno. To je koherentno stanje. Sad zamisli da jednom članu benda staviš slušalice na uši i pustiš mu death metal dok ostali sviraju jazz. To je ono što se događa u većini poluvodiča — ekscitoni i fononi gube međusobnu vezu, energija se rasipa, a tvoja solarna ploča proizvodi struju koliko i tvoj kućni fikus na prozoru. Ovo otkriće je prvi put pokazalo da u perovskitima postoji prozor u kojem taj ples može biti savršeno sinkroniziran — kratak, ali dovoljno dug da ga iskoristiš.

I tu dolazimo do dijela koji bi trebao zanimati svakoga tko nije fizičar. Industrija solarnih panela je, da se razumijemo, u čudnom stanju. Kineski proizvođači su srušili cijene toliko da je jeftinije postaviti panele na krov nego platiti račun za struju — ali efikasnost i dalje stoji na oko dvadesetak posto za komercijalne modele. Laboratorijski rekordi su veći, ali kad izađu na sunce, prašinu, kišu i vlagu, padnu na razinu koja bi i mog baku razočarala. Perovskiti su obećavali revoluciju jer ih je moguće proizvoditi jeftinije, tanje i fleksibilnije od silicija. Problem je bio što nitko nije znao zašto gube energiju tako brzo. Sada znaju.

A znanje je, u svijetu poluvodiča, jedina valuta koja vrijedi više od silicijskih wafera. Ova studija otvara put za dizajniranje perovskitnih materijala koji bi mogli održati koherenciju duže — možda dovoljno dugo da se energija izvuče prije nego što se rasprši. To bi, u prijevodu, značilo solarne ćelije s efikasnošću od četrdeset, pedeset posto. Što bi, opet u prijevodu, značilo da bi tvoj krov mogao proizvoditi struju za cijelo susjedstvo. Ili, ako si optimist, da bi električni auto mogao puniti bateriju s krova garaže dok ti piješ kavu. Naravno, pod uvjetom da itko od tih istraživača dobije dovoljno novca da nastavi raditi, a ne da se bavi pisanjem grantova za EU fondove koji će biti odobreni za sedam godina.

I tu dolazimo do ironije koja bi natjerala i najhladnokrvnijeg investitora da se nasmije. Dok znanstvenici u laboratorijima razbijaju glavu nad kvantnim plesom koji traje stotinu femtosekundi, industrija nastavlja proizvoditi panele koji su dobri, ali ne i sjajni. Jer zašto ulagati u istraživanje kad možeš prodati dovoljno dobar proizvod? To je ona ista logika koja je Microsoftu omogućila da dominira tržištem s operativnim sustavom koji se rušio dvaput dnevno. Dovoljno dobro je, nažalost, često dovoljno dobro. Ali povremeno se pojavi netko tko odluči da dovoljno dobro nije dovoljno. I onda snimi kvantni ples. I objavi ga u Nature Communications. I promijeni pravila igre.

Ovo nije samo vijest za fizičare. Ovo je vijest za svakoga tko plaća račun za struju. Za svakoga tko misli da je solarna energija budućnost. Za svakoga tko se ikad zapitao zašto, pobogu, još uvijek nismo riješili problem energije kad imamo sunce koje svaki dan besplatno šalje više energije nego što čovječanstvo potroši u godini dana. Odgovor je, kao i obično, u detaljima. U onim sitnim interakcijama koje nitko nije vidio dok netko nije smislio kako ih pogledati.

I tako smo opet tu. Na rubu nečega što bi moglo biti veliko. Ili ne. Jer između laboratorijskog otkrića i komercijalnog proizvoda leži pustinja koju su prešli samo oni s dovoljno novca, sreće i upornosti. Perovskiti su već deset godina "materijal budućnosti" — i svake godine ta budućnost dolazi za godinu dana. Ali ovaj put imamo nešto što nismo imali prije: mapu. Znamo gdje je problem. Znamo kako izgleda. I znamo što treba popraviti. Sad samo treba netko tko će to napraviti. I platiti. I ne odustati kad prvi prototip ne radi.

Ako te ovo ne uvjeri da je znanost najbolji show u gradu, ne znam što hoće. Jer dok ti čitaš ove retke, negdje u laboratoriju grupa ljudi gleda kako atomi plešu u savršenom taktu. I smiješe se. Jer znaju da su upravo vidjeli nešto što nitko prije njih nije vidio. I da će to, za deset ili dvadeset godina, možda promijeniti način na koji tvoj dom dobiva struju. A možda i neće. Ali su probali. I to je više nego što većina nas može reći.

Izvor: phys.org