Supraconductibilitatea grafenului a fost deşteptată

Hm, super…

E oficial: grafenul a fost prefăcut în supraconductor din starea sa naturală – ceea ce înseamnă că curentul poate trece prin el cu o rezistenţă egală cu zero.

Anul trecut (en), fizicienii au reuşit să facă acest lucru prin doparea grafenului cu atomi de calciu, dar aceasta este pentru prima dată când cercetătorii au obținut superconductibilitatea în material fără necesitatea de al modifica.

Iar rezultatele de până acum arată că, materialul atinge un tip de supraconductibilitate extrem de rar, care este mult mai nebun şi puternic decât se așteptau oamenii de ştiinţă.

Noua cercetare este o realizare mare, chiar şi pentru un material cu aşa calități impresive înnăscute ca grafenul, având în vedere că supraconductibilitatea este cheia spre produse electronice mai eficiente, reţele electrice mai bune şi noi tehnologii medicale.

„Demult s-a postulat că, în condiții adecvate grafenul ar trebui să suporte o tranziție supraconductoare, dar nu poate”, a declarat unul din cercetători (en), Jason Robinson de la Universitatea din Cambridge din Marea Britanie.

Acum, spune el, echipa sa a reușit să trezească această abilitate. Şi se pare grafenul nu este un supraconductor obișnuit – el ar putea conduce curentul fără să opună nici o rezistenţă, ca rezultat a unui tip evaziv şi neconfirmat al supraconductibilității numite stare p-wave.

Vedeţi şi: Fizicienii au descoperit o nouă stare a materiei în materialele supraconductoare

Sunt necesare cercetări suplimentare pentru a confirma acest rezultat, dar aceasta este o posibilitate destul de intrigantă.

Deja cu mai multe reușite la activ, grafenul reprezintă un strat bidimensional foarte flexibil de atomi de carbon, mai dur ca diamantul şi mai puternic ca oţelul.

Vedeţi şi: Oamenii de ştiinţă au inventat cel mai trainic şi uşor material de pe Pământ

Dar, de la descoperirea sa în 2004, cercetătorii presupuneau că grafenul ar putea, de asemenea, avea capacitatea de a fi un supraconductor – ceea ce înseamnă că ar fi în stare să transporte electronii prin el fără nici o rezistenţă.

Chiar şi materialele conductoare bune sunt încă ineficiente în comparație cu supraconductorii – de exemplu, companiile energetice îşi pierd aproximativ 7 procente din energia lor sub formă de căldură, ca urmare a rezistenţei în grilă.

Noi deja utilizăm materiale supraconductoare pentru a crea câmpurile magnetice puternice necesare pentru aparatele RMI (Rezonanţa magnetică nucleară) şi trenurile maglev, dar deocamdată, aceste materiale ating supraconductibilitatea la temperaturi de aproximativ -269 de grade Celsius, ceea ce le face extrem de scumpe în utilizare şi respectiv insuficient de practice.

Dacă am putea găsi o modalitate de a atinge o supraconductibilitate durabilă şi la temperaturi mai înalte, aceasta va deschide posibilitatea creării supercomputerelor şi a unor tehnologii medicale mai eficiente, care vor funcționa fără rezistenţă – şi grafenul este adesea considerat primul candidat capabil să realizeze aceasta, având în vedere toate celelalte proprietăți ciudate şi minunate pe care le deține.

Anul trecut, prin introducerea atomilor de calciu (en), cercetătorii au reuşit să facă din grafen un supraconductor.

O altă echipă a obţinut acelaş rezultat, prin plasarea lui pe un alt material supraconductor.

Dar, în acest nou studiu, cercetătorii de la Universitatea din Cambridge au reuşit să activeze potențialul latent al grafenului fără influenţa oricărui alt material.

„Plasarea grafenului pe un metal poate modifica în mod dramatic proprietăţile sale, deci din punct de vedere tehnic el nu se comportă aşa cum ne-am putea aştepta”, a spus unul din membrii echipei, Angelo di Bernardo (en).

„Ceea ce vedeţi nu este o supraconductibilitate a grafenului în sine, dar pur şi simplu a supraconductorului care stă la bază”.

În schimb, echipa a atins supraconductibilitatea prin cuplarea lui cu un material numit, praseodim ceriu oxid de cupru (PCCO).

Aceasta ar putea semăna cu ceea ce s-a întâmplat în experimentele anterioare – la urma urmei, ei încă pun grafenul peste un alt material – dar diferenţa este că, PCCO este un tip de material supraconductor numit cuprat, care are unele proprietăți electronice bine cunoscute.

Deci, echipa a fost în stare să deosebească clar supraconductibilitatea din PCCD şi supraconductibilitatea din grafen.

Şi ceea ce au văzut ei a fost mai nebunesc decât se așteptau.

Supraconductibilitate se atinge când electronii formează perechi, călătorind astfel mai eficient prin material.

Alinierea de spin, sau altfel spus simetria, a acestor perechi de electroni se modifică în funcţie de tipul supraconductibilității implicate.

De exemplu, electronii PCCO formează perechi cu o stare de spin care este antiparalelă şi se numeşte stare d-wave.

Dar, ceea ce a văzut echipa că se întâmplă în grafen a fost ceva diferit – ei au găsit dovezi a unui nou tip de supraconductibilitate rară şi încă neconfirmată, numită p-wave.

„Cu alte cuvinte, ceea ce am văzut în grafen, a fost un tip de supraconductibilitate foarte diferită de cea din PCCO”, a spus Robinson (en).

„Acesta a fost într-adevăr un pas foarte important, deoarece noi am știut că supraconductibilitatea nu a venit din afară şi, prin urmare, PCCO a fost necesar doar pentru eliberarea supraconductibilității proprii a grafenului”.

Rămâne încă neclar anume ce fel de supraconductibilitate a declanșat echipa în grafen, dar, în cazul dacă se confirmă că, într-adevăr este evaziva stare p-wave, s-ar putea demonstra odată şi pentru totdeauna că acest tip de supraconductibilitate există şi, pentru prima dată, va permite cercetătorilor să o studieze în mod corespunzător.

Supraconductibilitatea p-wave pentru prima dată a fost propusă în 1994, când cercetătorii japonezi au găsit dovezi a producerii sale într-un material de cristal numit stronţiu rutenat.

Dar, cristalul este prea voluminos pentru al studia suficient de bine, cu scopul de a obţine tipul probei necesare oamenilor de ştiinţă la confirmarea existenţei acestei stări.

Dacă se va reuşi acest lucru la grafen, investigarea va fi mult mai ușor de realizat.

„Dacă supraconductibilitatea p-wave într-adevăr s-a creat în grafen, el ar putea fi utilizat ca o schelă pentru crearea şi explorarea unui spectru complet nou de dispozitive supraconductoare ce vor fi utile la cercetarea fundamentală şi aplicativă”, a spus Robinson (en).

„Astfel de experimente neapărat vor duce la noi cunoștințe printr-o o mai bună înțelegere a supraconductibilității p-wave şi felul cum ea se comportă în diferite dispozitive şi situaţii”.

Nu doar atât, echipa sugerează că grafenul ar putea fi cheia pentru deblocarea supraconductibilității la temperaturi mai înalte de -269 grade Celsius, ce va permite utilizarea lui în interiorul supercomputerelor şi a altor tehnologii pentru a le face mai eficiente.

Alte echipe de cercetare vor fi, fără îndoială, în curs de a verifica rezultatele în propriile lor laboratoare şi vor începe să experimenteze cu acestă nouă stare trezită în grafen, aşa că vom fi în așteptarea de noi descoperiri.

Cercetarea a fot publicată în Nature Communications.