Când sunt rotite sub un anumit „unghi magic”, foile de grafen pot fi un izolator sau supraconductor

Este greu de crezut că un singur material poate fi descris cu aşa multe superlative precum grafenul.

De la descoperirea sa în 2004, oamenii de știință au constatat că dantelatul strat de atomi de carbon asemănător cu fagurele – în esență, cea mai microscopică așchie de grafit de creion pe care o vă puteţi imagina – nu este doar cel mai subţire material cunoscut în lume, dar, de asemenea, incredibil de uşor şi flexibil, de sute de ori mai trainic decât oţelul şi cu o conductivitate electrică mai mare decât cea a cuprului.

Acum, fizicienii de la MIT şi Universitatea Harvard, au descoperit că materialul poate prezenta chiar şi mai multe proprietăţi electronice curioase.

În două articole publicate recent în Nature (1,2), echipa susţine că poate regla grafenul să se comporte în două extreme: ca un izolator, în care fluxul electronilor este complect blocat; şi ca un supraconductor, prin care curentul electric poate trece fără nici o rezistenţă.

Vedeţi şi: Supraconductibilitatea grafenului a fost deşteptată

În trecut cercetătorii, inclusiv această echipă, au fost în măsură să sintetizeze supraconductorii de grafen prin plasarea materialului în contact cu alte supraconductoare – un aranjament care permite grafenului să moștenească anumite comportamente supraconductoare.

De data aceasta, echipa a găsit o modalitate de a face însăși grafenul supraconductor, demonstrând că aceasta poate fi o calitate intrinsecă a materialului pur pe bază de carbon.

Fizicienii au realizat acest lucru prin crearea unei „super-grile” (eng. superlattice) de două foi de grafit stivuite – nu exact una peste alta, dar ușor rotite sub un unghi magic de 1,1 grade.

Ca rezultat, modelul hexagonal  suprapus de tip fagure, este deplasat uşor, creând o configurație moiré (en) precisă (este un model care apare atunci când un set de linii drepte sau curbe sunt suprapuse una peste alta), care se prezice că va provoca stranii, „interacțiuni puternic corelate”dintre electronii din straturile de grafen.

În orice altă configurație stivuită, grafenul preferă să rămână distinct, foarte slab interacționând  electronic sau în alt mod cu straturile vecine.

Echipa condusă de Pablo Jarilo-Herrero, profesor asociat de fizică la MIT (Massachusetts Institute of Technology), a constatat că atunci când sunt rotite la unghiul magic, cele două straturi manifestă proprietăți de izolator, similare cu cele a unei clase exotice de materiale cunoscute sub denumirea de izolatoare Mott (en).

Atunci când cercetătorii au aplicat o tensiune electrică, adăugând cantități mici de electroni la super-grila de grafen, ei au observat că, la un anumit nivel, electronii brusc au eşit din starea izolatoare inițială şi au circulat fără nici o rezistenţă, ca în cazul unui supraconductor.

Vedeţi şi: Curgerea electronilor ca apa prin grafen lansează un nou val în fizică

„Noi acum putem folosi grafenul ca o nouă platformă pentru investigarea supraconductivităţii neconvenționale”, spune Jarillo-Herrero (en).

„Se poate, de asemenea, de imaginat crearea unui tranzistor supraconductor din grafen, care va avea un întrerupător pentru al porni şi opri, de la supraconductibilitate şi izolare.

Aceasta va deschide multe posibilităţi pentru dispozitivele cuantice”.

Un decalaj de 30 de ani

Capacitatea materialului de a conduce electricitatea, este în mod normal reprezentată în termeni de benzi de energie.

O singură bandă, reprezintă gama de energii pe care electronii unui material o pot avea.

Vedeţi şi: Fizicienii au găsit în grafen o posibilitate de a obţine energie curată nelimitată

Există un decalaj energetic între benzi şi atunci când o bandă este umplută, un electron trebuie să conțină o energie suplimentară cu scopul de a depăși acestă breșă, pentru a ocupa următoarea bandă goală.

Un material este considerat izolator, dacă ultima bandă de energie ocupată este complet completată cu electroni.

Conductoarele electrice, aşa ca metalele, prezintă benzi de energie parţial completate, cu stări energetice goale pe care electronii le pot umple pentru a se mişca liber.

Totuşi, izolatoarele Mott (en), sunt o clasă de materiale care reieşind din structura benzilor lor par să fie conducătoare de electricitate, dar când sunt măsurate, se comportă ca izolatoare.

Mai precis, benzile lor de energie sunt pe jumătate completate, dar datorită interacţiunilor electrostatice dintre electroni (cum ar fi sarcinile cu același semn ce se resping), materialul nu conduce electricitatea.

În esenţă, benzile completate pe jumate, se împart în două mai mici, cu una uniformă ocupată complet de electroni şi cu alta lăsată goală, datorită cărui fapt se comportă ca un izolator.

„Aceasta înseamnă că toţi electronii sunt blocaţi, deci este un izolatori din cauza acestei respingeri puternice între electroni, astfel nimic nu poate circula”, explică Jarillo-Herrero (en).

„De ce izolatoarele Mott sunt importante? Se pare că compusul părinte al majorității supraconductorilor la o temperatură ridicată este un izolator Mott”.

Cu alte cuvinte, oamenii de știință au găsit modalități de a manipula proprietățile electronice ale izolatoarelor Mott pentru ai transforma în supraconductori, la temperaturi relativ ridicate de circa 100 Kelvin (-173°C).

Pentru a face acest lucru, ei chimic „dopează” materialul cu oxigen, a cărui atomi atrag electronii din izolatorii Mott, lăsând mai mult spaţiu pentru fluxul de electroni rămași.

Când se adaugă suficient oxigen, izolatorul se transformă într-un supraconductor.

Cum exact se produce această tranziție, a fost un mister de 30 de ani, spune Jarillo-Herrero (en).

„Aceasta este o problemă de 30 de ani şi se socoate nerezolvată”.

„Aceste supraconductoare  la temperaturi ridicate au fost studiate până la sfârşit şi ele au multe comportamente interesante. Dar, noi nu ştim cum să le explicăm”.

O rotaţie precisă

Jarillo-Herrero şi colegii săi, au căutat o platformă mai simplă pentru a studia o astfel de fizică neconvențională.

La studierea proprietăților electronice în grafen, echipa a început să se joace cu stive de straturi de grafen.

Cercetătorii au creat două straturi super-grile, prin exfolierea mai întâi a unui fulg de grafen unic din grafit, după ce au ridicat cu atenţie o jumătate din acest fulg cu ajutorul unui strat de sticlă acoperit cu un polimer lipicios şi un material izolator de  nitrură de bor.

Apoi ei au rotit foarte uşor stratul de sticlă şi au ridicat a doua jumătate a fulgului de grafen, lipind-o la a prima jumătate.

În acest mod, ei au creat o super-grilă cu un model deplasat, care se deosebește de de grila de tip fagure originală.

Echipa a repetat acest experiment, creând mai multe ‘dispozitive’, sau super-grile, cu diferite unghiuri de rotaţie, cuprinse între 0 şi 3 grade.

Ei au ataşat electrozi la fiecare dispozitiv şi au măsurat curentul electric ce trece prin ele , apoi afișau rezistenţa fiecărui dispozitiv, luând în calcul cantitatea iniţială de curent care a trecut prin el.

„Dacă aţi deviat cu 0,2 grade de la ungiul de rotaţie, toată fizica va dispare”, spune Jarillo-Herrero (en).

„Nu apare nici o supraconductivitate sau izolator Mott. Deci, trebuie să fiţi foarte precis cu alinierea unghiului”.

La 1,1 grade – rotaţie care s-a prezis a fi un „unghi magic” – cercetătorii au descoperit că super-grilele de grafen seamănă electronic cu o structură de bandă plată, similar cu un izolator Mott, în care toţi electronii poartă aceeași energie indiferent de impulsul lor.

„Imaginați-vă că impulsul pentru o maşină este viteza de masă”, spune Jarrillo-Herrero (en).

Dacă conduci cu 30 kilometri pe oră, ai o anumită cantitate de energie cinetică. Dacă conduci cu 60 km pe oră, ai o energie mult mai mare, şi dacă vă striviți, puteţi deforma un obiect mai mare.

Însă, în acest caz iese că, nu contează cu ce viteză mergeţi, cu 30, 60 sau 100 kilometri pe oră, toate vor avea aceeaşi energie”.

În cazul electronilor, aceasta înseamnă că, chiar dacă ei ocupă o bandă pe jumătate plină, un electron nu are mai multă energie decât altul, pentru ai permite acestuia să se deplaseze în acea bandă.

Prin urmare, chiar dacă o astfel de structură de bandă plină pe jumătate ar trebui să acționeze ca un conductor, el, în schimb, se comportă ca un izolator – mai precis, ca un izolator Mott.

Acest lucru a dat echipei o idee:  Ce ar fi dacă ei ar putea adăuga electroni la aceste super-grile asemănătoare cu un izolator Mott, similar cu modul în care oamenii de ştiinţă l-au dopat cu oxigen pentru al transforma în superconductor?

Şi-ar asuma grafenul, la rândul său, calități supraconductoare?

Pentru a afla acest lucru, ei au aplicat o tensiune mică la „super-grila de grafen cu magicul unghi”, adăugând cantități mici de electroni la structură.

Ca urmare, electronii, care până la acest moment erau distincți, se legau împreună cu alţi electroni în grafen, permițându-le să circule încolo unde până acum nu puteau.

Pe parcurs, cercetătorii au continuat să măsoare rezistenţa electrică a materialului şi au descoperit că atunci când adaugă o cantitate anumită de electroni, curentul electric circula fără a risipi energia – la fel ca un supraconductor.

„Curentul poate circula liber, fără a pierde energie şi acest lucru arată că grafenul poate fi un superconductor”, spune Jarillo-Herrero (en).

Mai important, posibil, spune el, este că cercetătorii sunt în măsură să regleze grafenul să se comporte ca un izolator sau ca un superconductor,  şi orice fază între ele, să prezinte aceste proprietăţi diverse într-un singur dispozitiv.

„De obicei, noi trebuie să dezvoltăm diferite clase de materiale pentru a explora fiecare fază”, spune Jarillo-Herrero.

„Noi facem asta pe loc, dintr-o mișcare, într-un dispozitiv pur de carbon. Noi putem explora toate aceste fizici într-un singur dispozitiv electric, în loc să facem sute de dispozitive.

Nimic nu ar putea fi mai simplu”.