Naukowcy MIT zaobserwowali bezpośrednie dowody niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa w grafenie skręconym pod magicznym kątem (MATGG), co stanowi najbardziej przekonujące potwierdzenie teorii, nad którymi fizycy głowili się od lat. Publikacja w czasopiśmie Science to nie tylko akademicka ciekawostka – może oznaczać prawdziwy przełom w dziedzinie, która od dekad poszukuje materiałów zdolnych do przewodzenia prądu bez strat energetycznych.
Grafen skręcony pod magicznym kątem odkrywa swoje tajemnice
Grafen skręcony pod magicznym kątem to niezwykły materiał złożony z trzech atomowo cienkich warstw grafenu ułożonych pod precyzyjnie określonym kątem. To właśnie ta specyficzna geometria nadaje mu wyjątkowe właściwości. Historia tego odkrycia sięga 2018 r., kiedy grupa kierowana przez Pablo Jarillo-Herrero po raz pierwszy wytworzyła taki materiał eksperymentalnie i zaobserwowała jego egzotyczne zachowanie. Od tamtej pory narodziła się cała nowa dziedzina badań zwana twistroniką, która bada, jak precyzyjne skręcanie atomowo cienkich warstw materiałów może zmieniać ich fundamentalne właściwości fizyczne.
Czytaj też: Polski materiał łączy siłę diamentu z grafenem. Diafit z Gdańska zmieni świat elektroniki
Kluczem do sukcesu okazała się innowacyjna platforma eksperymentalna łącząca tunelowanie elektronów z transportem elektrycznym. Badacze opracowali metodę pozwalającą obserwować szczelinę nadprzewodzącą w materiałach dwuwymiarowych w czasie rzeczywistym, co wcześniej stanowiło poważne wyzwanie pomiarowe. Można to porównać do próby fotografowania zjawisk zachodzących w skali atomowej – wymaga to nie tylko niezwykle precyzyjnych narzędzi, ale także zupełnie nowego podejścia do samego procesu pomiaru.
Wyniki badań przyniosły fascynujące obserwacje. Szczelina nadprzewodząca w grafenie skręconym pod magicznym kątem ma wyraźny profil w kształcie litery V, co zasadniczo różni się od płaskiego i jednolitego kształtu charakterystycznego dla konwencjonalnych nadprzewodników. Zespół zidentyfikował dwie współistniejące luki tunelowe o różnych skalach energii – niskoenergetyczną lukę nadprzewodzącą oraz wyższoenergetyczną pseudolukę. To rozróżnienie miało kluczowe znaczenie, ponieważ wcześniej naukowcy mieli problem z oddzieleniem tych dwóch zjawisk w tak silnie oddziałującym systemie.
Niskoenergetyczna luka nadprzewodząca zachowuje się dokładnie tak, jak przewiduje teoria – zanika w krytycznej temperaturze nadprzewodnictwa oraz w obecności pola magnetycznego. Co więcej, wykazuje liniowe zachowanie wypełniania wraz ze zmianą temperatury i pola magnetycznego, co jest zgodne z węzłowym parametrem porządku. Wszystkie te cechy jednoznacznie wskazują na niekonwencjonalny charakter nadprzewodnictwa.
Różnica między konwencjonalnym a niekonwencjonalnym nadprzewodnictwem jest fundamentalna. W typowych nadprzewodnikach elektrony łączą się w pary poprzez wibracje sieci atomowej – można to porównać do tańca, w którym drgania kryształu pomagają elektronom się sparować. Te pary są słabo związane, a elektrony w nich poruszają się w znacznym oddaleniu od siebie. W grafenie o magicznym kącie mechanizm jest zupełnie inny – parowanie prawdopodobnie wynika z silnych oddziaływań między samymi elektronami, które pomagają sobie nawzajem tworzyć ściśle związane pary, niemal jak cząsteczki.
Zrozumienie tego mechanizmu ma ogromne znaczenie praktyczne. Nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej mogłyby zrewolucjonizować wiele dziedzin – od bezstratnych kabli energetycznych przez efektywne sieci elektryczne po praktyczne systemy obliczeń kwantowych. Obecnie większość nadprzewodników wymaga ekstremalnie niskich temperatur, co znacząco ogranicza ich zastosowania i drastycznie podnosi koszty. Materiał, który zachowywałby się jak nadprzewodnik w normalnych warunkach, byłby prawdziwym przełomem technologicznym, choć droga do jego praktycznego wykorzystania wciąż wydaje się daleka.