Zaskakujące i nietypowe właściwości nadprzewodzące warstwowego grafenu

Przełomowe badania nad nadprzewodnictwem grafenu

Badania nad grafenem – ultracienkim materiałem składającym się z pojedynczej warstwy atomów węgla – doprowadziły do odkrycia zdolności tego materiału do przewodzenia prądu bez oporu elektrycznego. Nowe eksperymenty rzucają światło na tajemniczy mechanizm tego zjawiska i mogą przyczynić się do stworzenia nadprzewodników działających w temperaturze pokojowej.

Zaskakujące odkrycie podczas kolacji naukowej

Kin Chung Fong z Uniwersytetu Northeastern w Massachusetts nie krył zdziwienia, gdy Abhishek Banerjee z Uniwersytetu Harvarda podał mu pewną wartość liczbową podczas obiadu. Obaj naukowcy zajmowali się różnymi aspektami badań nad grafenem. Okazało się jednak, że ich niezależne obliczenia dotyczące trudności w zmianie przepływu prądu przez grafen dały ten sam wynik. To niespodziewane odkrycie skłoniło ich do przeprowadzenia dalszych badań.

Przez lata naukowcy wiedzieli, że dwuwarstwowy lub trzywarstwowy grafen, w którym niektóre warstwy są obrócone pod określonym kątem, może wykazywać nadprzewodnictwo – czyli zdolność do przewodzenia prądu bez strat energii. Mechanizm tego procesu pozostawał jednak zagadką. Fong i Banerjee uznali, że kluczowy może być parametr zwany indukcyjnością kinetyczną.

Nowe eksperymenty i innowacyjne metody pomiarowe

Zespół badaczy zaplanował dwa oddzielne eksperymenty: jeden koncentrował się na właściwościach dwuwarstwowego grafenu, drugi analizował trzywarstwowy grafen. Pomiar indukcyjności kinetycznej w tych materiałach był dotychczas niezwykle trudny, ponieważ arkusze grafenu są bardzo małe, a standardowe techniki pomiarowe dawały zbyt słabe sygnały.

Aby rozwiązać ten problem, naukowcy opracowali innowacyjną metodę. Grafenowe próbki były wystawione na działanie fal mikrofalowych, a badacze stopniowo zmieniali temperaturę i inne parametry. Dzięki temu udało się uzyskać precyzyjne dane na temat nadprzewodzących właściwości tego materiału.

Tajemnicza rola geometrii kwantowej

Okazało się, że w przypadku dwuwarstwowego grafenu nadprzewodzący prąd jest znacznie „sztywniejszy” – bardziej oporny na zmiany – niż przewidują klasyczne teorie nadprzewodnictwa. Badacze powiązali to z tzw. geometrią kwantową: kształt funkcji falowych elektronów, które określają ich właściwości i zachowanie, wydaje się odgrywać kluczową rolę w niezwykłym nadprzewodnictwie grafenu.

Jeszcze większym zaskoczeniem były wyniki badań dotyczących trzywarstwowego grafenu. Okazało się, że jego indukcyjność kinetyczna wykazuje uderzające podobieństwa do właściwości pewnej grupy innych nadprzewodników, które mogą działać w znacznie wyższych temperaturach.

Nowa nadzieja na nadprzewodniki w temperaturze pokojowej

Odkrycie to ma ogromne znaczenie. Fizyków od dekad fascynuje idea nadprzewodników działających w temperaturze pokojowej, ponieważ mogłyby one zrewolucjonizować wiele technologii – od przesyłu energii po elektronikę. Obecnie nadprzewodniki wymagają ekstremalnie niskich temperatur, co znacznie ogranicza ich praktyczne zastosowanie.

Eksperymenty z grafenem mogą dostarczyć kluczowych wskazówek dotyczących mechanizmów rządzących nadprzewodnictwem i przybliżyć nas do stworzenia materiałów, które będą działać bez strat energetycznych w codziennych warunkach.

Grafen w przyszłych technologiach kosmicznych

Nowe badania mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w energetyce czy elektronice, ale także w eksploracji kosmosu. Mary Kreidel z NASA Jet Propulsion Laboratory już teraz widzi potencjał w wykorzystaniu wielowarstwowego grafenu do budowy detektorów cząstek w misjach kosmicznych. Dzięki nadprzewodzącym właściwościom w niskich temperaturach, takie urządzenia mogłyby stać się mniejsze i lżejsze – co jest kluczowe w projektowaniu sprzętu kosmicznego.

Przyszłość badań nad nadprzewodnictwem

Obecnie prowadzone są kolejne eksperymenty z innymi ultracienkimi materiałami, które również mogą wykazywać nadprzewodnictwo. Niedawno inny zespół badaczy odkrył, że dwuwarstwowe kryształy diselenku wolframu również stają się nadprzewodnikami, gdy ich warstwy są odpowiednio skręcone względem siebie.

Naukowcy są przekonani, że znajdują się na tropie fundamentalnych zasad rządzących nadprzewodnictwem, które mogą doprowadzić do przełomowych odkryć w dziedzinie fizyki materiałów. Kolejne lata mogą przynieść rewolucyjne rozwiązania, które zmienią sposób, w jaki wykorzystujemy energię elektryczną na całym świecie.