Warstwowy grafen ujawnia nowy, niezwykły rodzaj nadprzewodnictwa

Nowe eksperymenty z grafenem przybliżają nas do nadprzewodników w temperaturze pokojowej

Naukowcy od dawna zastanawiają się, dlaczego cienkie warstwy węgla, takie jak grafen, mogą przewodzić prąd elektryczny bez oporu w bardzo niskich temperaturach. Dwa nowe eksperymenty rzucają światło na to niezwykłe zjawisko i mogą przybliżyć ludzkość do stworzenia praktycznych nadprzewodników działających w temperaturze pokojowej.

Zaskakujące odkrycie podczas kolacji

Kin Chung Fong z Uniwersytetu Northeastern w Massachusetts nie spodziewał się przełomowego momentu podczas zwykłej kolacji. Jednak w trakcie rozmowy z Abhishekiem Banerjee z Uniwersytetu Harvarda obaj naukowcy doszli do tego samego wniosku dotyczącego oporu elektrycznego w grafenie. Choć badali różne aspekty tego materiału, ich wspólna konkluzja sugerowała, że pewna właściwość – indukcyjność kinetyczna – może mieć kluczowe znaczenie dla zrozumienia nadprzewodzących właściwości grafenu.

Jak grafen przewodzi prąd bez strat?

Dotychczasowe eksperymenty wykazały, że bardzo zimne, dwuwarstwowe lub trzywarstwowe struktury grafenowe mogą zachowywać się jak nadprzewodniki, ale tylko wtedy, gdy ich warstwy są odpowiednio skręcone względem siebie pod specyficznym kątem. Mechanizm tego zjawiska pozostawał jednak tajemnicą. Fong i Banerjee postanowili zbadać, czy indukcyjność kinetyczna może pomóc w jej wyjaśnieniu.

Jedno z wyzwań polegało na zmierzeniu tej właściwości w ultracienkich warstwach grafenu. Standardowe metody, takie jak wystawianie materiału na działanie cząstek czy pól magnetycznych, dawały zbyt słabe sygnały, by dostarczyć jednoznacznych wyników. Zespół naukowców opracował więc nową metodę, w której eksponowano grafen na mikrofale i stopniowo zmieniano temperaturę. Nadprzewodnictwo w tych warunkach mogło występować jedynie w ekstremalnie niskich temperaturach.

Fizyczne tajemnice nadprzewodnictwa

Wiadomo, że nadprzewodnictwo w grafenie wynika z parowania elektronów, które w tej formie łatwiej przepływają przez materiał. Zwykle jednak elektrony się odpychają, co rodzi pytania o mechanizm ich łączenia się w pary. Badania wskazują, że odpowiedzialna za to może być tzw. geometria kwantowa – kształt funkcji falowych elektronów, opisujących wszystkie ich właściwości i możliwe zachowania.

Co więcej, eksperymenty wykazały, że trójwarstwowy grafen wykazuje zaskakujące podobieństwo do innych, zupełnie różnych materiałów nadprzewodzących. Są to nadprzewodniki, które działają w znacznie wyższych temperaturach niż tradycyjne supermateriały. Może to oznaczać, że naukowcy odkryli uniwersalne zasady rządzące nadprzewodnictwem, które mogą pomóc w opracowaniu materiałów funkcjonujących w temperaturze pokojowej.

Znaczenie odkrycia dla przyszłości technologii

Fizycy od dziesięcioleci szukają nadprzewodników, które mogłyby działać bez potrzeby chłodzenia do ekstremalnie niskich temperatur. Gdyby udało się stworzyć nadprzewodniki pracujące w standardowych warunkach, przyniosłoby to rewolucję w wielu dziedzinach – od elektroniki po energetykę. Możliwość przesyłania prądu bez strat radykalnie zmniejszyłaby zużycie energii i otworzyłaby nowe możliwości w rozwoju komputerów kwantowych oraz transportu elektrycznego.

Eksperymenty z grafenem mogą również znaleźć zastosowanie w technologii kosmicznej. Mary Kreidel, obecnie pracująca w NASA Jet Propulsion Laboratory, bada możliwość wykorzystania cienkowarstwowego grafenu do konstrukcji detektorów cząstek na potrzeby misji kosmicznych. Dzięki swoim właściwościom nadprzewodzącym, grafen pozwoliłby na zmniejszenie rozmiaru i masy takich urządzeń, co jest kluczowe dla eksploracji kosmosu.

Co dalej?

Obiecujące wyniki badań zachęcają naukowców do dalszych eksperymentów. Fong, Banerjee i ich współpracownicy planują testy na innych dwuwymiarowych materiałach nadprzewodzących, których lista stale się powiększa. Wiele z tych materiałów wykazuje zaskakujące i nieoczekiwane właściwości, które mogą pomóc w odkryciu nowych zasad rządzących nadprzewodnictwem.

Badania nad grafenem pokazują, że wciąż mamy wiele do nauczenia się o tym, jak materiały przewodzą prąd i jakie mechanizmy rządzą ich właściwościami kwantowymi. Być może jesteśmy świadkami narodzin nowej ery elektroniki, w której nadprzewodniki w temperaturze pokojowej staną się rzeczywistością, zmieniając świat na zawsze.