Framtidas teknologi kan bli laget av leire

Denne artikkelen er produsert og finansiert av NTNU - les mer.

Fysikere har funnet et materiale som kan bli svært så nyttig innenfor kvanteteknologi – leire.

Barbara Pacáková og Jon Otto Fossum er del av en internasjonal forskergruppe som har kommet frem til svært så interessante resultater. De kan hjelpe oss på veien til ny teknologi. Her fra SNBL-ESRF Grenoble France. (Foto: NTNU/SNBL-ESRF)

Kvanteteknologi blir i framtida standard i ekstremt raske computere. Disse blir viktige i alt mulig fra romfartsteknologi til mineralleting og utvikling av nye medisiner.

Men teknologien er basert på kvantemekanikk, og allerede der ramler de fleste av oss av, for dette høres jammen avansert ut.

– Kvanteteknologi er ofte forbundet med syntetiske materialer som er utviklet i avanserte, helt rene miljøer, sier professor Jon Otto Fossum ved Institutt for fysikk ved NTNU.

Men Fossum og kolleger har gode nyheter.

Spennende leiremateriale rett fra naturen

– Vi har funnet et naturlig forekommende leiremateriale med ettertraktede egenskaper for bruk i kvanteteknologi, sier Fossum.

Materialet er altså både billig og lett tilgjengelig, rett fra naturen.

– Vi har i grunnen funnet en kvanteaktiv komponent som er dannet av naturen selv. Den er stabil, ikke giftig, finnes i store mengder, og har en struktur som vi kan ta i bruk direkte. Dette er spesielt spennende når vi ønsker å bruke bærekraftige materialer, sier Barbara Pacáková, forsker ved Institutt for fysikk ved NTNU.

Tre gode ting på én gang, altså. Og materialet er attpåtil miljøvennlig.

Hun er førsteforfatter av en vitenskapelig artikkel som nå publiseres i Nature-tidsskriftet npj 2D Materials and Applications.

Tre ting på én gang

Så hvorfor er dette så bra? Vel, leirematerialet er i praksis todimensjonalt, i dette tilfellet er det en halvleder og i tillegg er det antiferromagnetisk. Og hva betyr nå det?

1. Todimensjonale stoffer er helt grunnleggende viktige når alt skal foregå i ekstremt liten skala. Vi snakker om teknologi på atomnivå og under.
2. Halvledere er stoffer som under enkelte forhold er gode til å lede strøm, men som ikke gjør det under andre. De er nyttige i elektronikk og fotonikk. Fotonikk er et vidt begrep, men brukes gjerne om teknologi som bruker lys, for eksempel i laser, fiberoptisk internett, kameraer og solceller.
3. Antiferromagnetiske stoffer er ikke magnetiske i tradisjonell forstand, men så er de magnetiske likevel. De er nemlig magnetiske i to retninger samtidig, og dermed nuller de hverandre ut. Om du kan påvirke denne magnetismen, er det sentralt i kvanteteknologi.

Tre gode ting på én gang, altså. Og materialet er attpåtil miljøvennlig og finnes naturlig både på jorda og på andre planeter.

«Et kvantesprang i leire»

De kaller det «et kvantesprang i leire». Nå er jo et kvantesprang opprinnelig et svært lite sprang, selv om det i dagligtalen brukes om store fremskritt. I denne sammenhengen er det begge deler. Smart, eller hva?

Selv om materialet finnes i naturen, slipper ikke forskerne helt utenom høyteknologiske miljøer. Det er ikke bare å spa opp leiren direkte fra bakken og så bruke den i kvantedatamaskiner eller i fotonikk.

– Det trengs fortsatt avanserte fysiske og kjemiske metoder for å hente ut materialet, undersøke det og finne ut hvordan det kan brukes i teknologi, sier Pacáková.

For å studere disse nanotynne leirelagene, må forskerne bruke spesialutstyr i laboratorier som er nøyaktig og pålitelig. 

Hvis materialet en dag skal brukes i nye produkter, kan det fortsatt bli nødvendig med svært rene og kontrollerte omgivelser, som i egne renrom.

Ikke perfekt i romtemperatur

– Materialet er heller ikke antiferromagnetisk i romtemperatur. Men grunntilstanden er sånn at materialet kan få betydning for framtidas teknologi. Det gjelder for eksempel for spintronikk, fotonikk, magnetiske sensorer og datamaskiner som etterligner menneskehjernen, sier Fossum.

Vi ser ikke bare etter feilfrie materialer skapt i laboratorier, men leter etter naturlige materialer som også kan brukes.

Han leder Soft and Complex Matter Lab ved NTNU, der det meste av arbeidet med det nye materialet er utført.

– Laboratoriet vårt har en spesiell tilnærming. Vi ser ikke bare etter feilfrie materialer skapt i laboratorier, men leter systematisk etter naturlige materialer som også kan brukes. Det gjorde at vi kunne identifisere dette materialet med de spesielle kvanteegenskapene, sier Fossum.

Internasjonalt samarbeid om leire

Funnene er resultat av et internasjonalt partnerskap ledet av Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU), men i tett samarbeid med fysikere ved Universidade de São Paulo (USP) i Brasil, European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble i Frankrike, og Univerzita Karlova i Praha i Tsjekkia. 

NTNU-teamet består av seks forskere. Fire av disse er kvinner som er tidlig i karriereløpene sine. Det er altså smart å støtte dyktige, fremadstormende forskere gjennom mentorprogrammer som dem NTNU kan tilby, mener Fossum og Pacáková.

De to forskerne sier dette i en felles uttalelse: «Ikke bare er dette spennende, vitenskapelige resultater. Det viser hva dyktige forskere kan oppnå tidlig når de bare får anledning til å utfolde seg.» 

Referanse: 

Barbara Pacakova mfl.: Naturally occurring 2D semiconductor with antiferromagnetic ground state. npj 2D Materials and Applications, 2025. Doi.org/10.1038/s41699-025-00561-5