Grafit zachowuje się wbrew prawom fizyki. Naukowcy potwierdzili fenomen

Natura potrafi zaskakiwać na nowo nawet naukowców, którzy na co dzień zajmują się jej badaniem. Nadprzewodniki, czyli materiały, które mogą przewodzić prąd elektryczny bez jakiegokolwiek oporu i strat to niezwykle dynamicznie rozwijająca się dziedzina badań. Nie ma w tym nic dziwnego, wszak nadprzewodniki mogą zrewolucjonizować wiele segmentów wysokich technologii, na których opiera się dzisiejszy świat. Czasami jednak naukowcy natrafiają na materiały, które znamy od dawna, a które do dzisiaj skrywają fascynujące cechy.
Grafit zachowuje się wbrew prawom fizyki. Naukowcy potwierdzili fenomen

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.