Grafit – powszechnie znany z ołówków – może wkrótce odmienić świat zaawansowanej fizyki. Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) odkryli, że ten niepozorny materiał, w odpowiednich warunkach, potrafi jednocześnie przewodzić prąd bez oporu i generować pole magnetyczne. To pierwsze znane potwierdzone laboratoryjnie zjawisko tzw. nadprzewodnictwa chiralnego, które przeczy wieloletniemu przekonaniu, że nadprzewodnictwo i magnetyzm są ze sobą niekompatybilne.
W klasycznym rozumieniu fizyki, nadprzewodniki i magnesy „się nie lubią” – jedno zjawisko zwykle tłumi drugie. Gdy materiał staje się nadprzewodnikiem, wypiera z siebie pola magnetyczne (to tzw. efekt Meissnera). Gdy pole magnetyczne się pojawia, znika zdolność do nadprzewodzenia. Tak przynajmniej było od niemal stu lat. Tymczasem zespół z MIT zaobserwował coś zupełnie odwrotnego: materiał, który nie tylko nie odrzuca pola magnetycznego, ale sam generuje własne — i to w stanie nadprzewodzącym.
Czytaj także: Naukowcy złamali kod grafenu. To odkrycie zmieni oblicze technologii kwantowej
Materiałem, w którym zaobserwowano te niezwykłe właściwości, był romboedryczny grafen – rzadka forma grafitu, w której cienkie warstwy węgla (grafenu) układają się w specyficzną strukturę przypominającą schody. Gdy takich warstw jest cztery lub pięć, pojawiają się zupełnie nowe, niespotykane w klasycznym graficie efekty elektronowe.
Aby zbadać te właściwości, naukowcy wyizolowali mikroskopijne płatki romboedrycznego grafenu i schłodzili je do temperatury bliskiej zera absolutnego – około 0,3K, czyli -273°C. W tych warunkach materiał zaczął przewodzić prąd bez żadnego oporu.
Jeszcze ciekawsza okazała się reakcja grafenu na zewnętrzne pole magnetyczne. Po jego przyłożeniu i odwróceniu kierunku, nadprzewodnictwo na chwilę znikało, by zaraz potem się odtworzyć — ale już w innym stanie. To wskazuje, że materiał przełącza się między dwoma różnymi fazami nadprzewodzącymi, podobnie jak magnes zmienia biegunowość. Tego rodzaju magnetyczne przełączanie nie występuje w klasycznych nadprzewodnikach.
Zjawisko zaobserwowano we wszystkich sześciu przebadanych próbkach. Badacze uważają, że w tak niskich temperaturach elektrony w romboedrycznym grafenie zaczynają zachowywać się w skoordynowany sposób, tworząc pary o zgodnym kierunku pędu. W odróżnieniu od tradycyjnych par elektronów w nadprzewodnikach te nie znoszą nawzajem swoich spinów, dzięki czemu generują moment magnetyczny.
Czytaj także: Grafen kluczem do budowy chipów przyszłości? Będą działać podobnie do ludzkiego mózgu
Ten wewnętrzny ruch elektronów może właśnie odpowiadać za magnetyzm w stanie nadprzewodzącym, tworząc tzw. chiralne nadprzewodnictwo, które do tej pory istniało jedynie w teorii.
Zespół naukowców odpowiedzialny za odkrycie podkreśla, że pomimo prostoty chemicznej tego materiału, wszak jest on zbudowany wyłącznie z atomów węgla, jego właściwości są fascynujące i potencjalnie rewolucyjne. Co więcej, odkrycie może mieć znaczenie praktyczne. Może się okazać, że grafit doskonale sprawdzi się w sektorze obliczeń kwantowych.
Krótko mówiąc: to, co do niedawna było jedynie grafitem o nietypowej budowie atomowej, teraz może stać się wrotami do zupełnie nowej fizyki.