Wspomniany rdzeń ołówków to ot, zwyczajny węgiel ułożony w warstwy, który jest znany praktycznie od zawsze i tak powszechny, że trudno traktować go jak bramę do przyszłości. Tymczasem właśnie w takich miejscach współczesna fizyka lubi urządzać nam lekcje pokory. Gdy bowiem schodzimy aż do skali pojedynczych warstw atomów, zwykły materiał przestaje być zwykły, a dobrze znane reguły zaczynają zachowywać się tak, jakby ktoś podmienił instrukcję obsługi rzeczywistości.
Grafen z grafitu nie jest już tylko “materiałem przyszłości”
Najnowsze badanie zespołu z MIT, opisane w Nature, dotyczy romboedrycznego grafenu wielowarstwowego, czyli szczególnego układu czterech lub pięciu warstw grafenu. Nie mówimy tu o fantazyjnej strukturze zbudowanej całkowicie od zera, tylko o konfiguracji, która może naturalnie występować w zwykłym graficie. Problem polega na tym, że trzeba ją najpierw znaleźć i odseparować. Badacze rozwarstwiają więc grafit, często z pomocą taśmy klejącej, a potem szukają charakterystycznego “schodkowego” układu warstw.
Czytaj też: Naukowcy złożyli druk 3D jak kartkę papieru. Produkcja nagle przyśpieszyła o 95 procent
Właśnie ten detal jest dla mnie najciekawszy. Grafen przez lata obrósł wielkimi hasełkami i osobiście już mi się po prostu “znudził”, ale w laboratoriach nadal okazuje się nie tyle gotowym składnikiem rewolucji, ile platformą do wyciągania z elektronów zachowań, których wcześniej trudno było się spodziewać. Podobną kwestię było widać przy grafenie jako najbardziej magnetoodpornym materiale, gdzie samo odkrycie zjawiska nie oznaczało jeszcze prostego przepisu na masowy produkt, ale pokazywało to, jak daleko można przesuwać granice tego materiału.
Tutaj stawka jest jeszcze ciekawsza, bo chodzi o nadprzewodnictwo. W największym uproszczeniu jest to stan, w którym elektrony tworzą pary i płyną przez materiał bez oporu elektrycznego. Zero strat na rezystancji, zero zwykłego “marnowania” energii w postaci ciepła. Gdyby taki stan dało się łatwo uzyskać i utrzymać w codziennych warunkach, to rozmawialibyśmy o zupełnie innym świecie energetyki, elektroniki, kolei magnetycznej, aparatury medycznej i komputerów kwantowych. Problem od dekad jest jednak ten sam – nadprzewodnictwo zwykle wymaga bardzo niskich temperatur, bywa delikatne i nie lubi zakłóceń.
Magnes miał zabić nadprzewodnictwo. Tym razem wydarzyło się coś dziwniejszego
W klasycznych nadprzewodnikach pole magnetyczne jest jednym z naturalnych wrogów tego zjawiska. Powód sprowadza się do par Coopera, czyli połączonych elektronów, które mogą przenosić prąd bez oporu. Gdy zewnętrzne pole magnetyczne zaczyna mieszać przy spinach elektronów, takie pary mogą się rozpadać, a nadprzewodnictwo znika. Dlatego intuicja podpowiada coś prostego, bo im mocniejsze jest pole, tym większy staje się problem.
Badacze z MIT zobaczyli jednak inny scenariusz. W romboedrycznym grafenie cztero- i pięciowarstwowym przeprowadzili pomiary transportowe, a w pięciowarstwowej próbce wykryli trzy różne typy nadprzewodnictwa wzmacnianego lub wręcz indukowanego przez pole magnetyczne. Były one odporne na pole równoległe do warstw do 9 tesli, czyli około 180 tysięcy razy silniejszym od pola magnetycznego Ziemi i przekraczały tak zwany limit Pauliego dziesiątki razy.
Czytaj też: Nie sądziłem, że błoto i glony mogą razem zawstydzić część współczesnego betonu
Najbardziej przewrotna część zaczyna się jednak przy polu ustawionym prostopadle do warstw grafenu. W określonych warunkach nadprzewodnictwo nie tylko nie zniknęło, ale mogło utrzymać się powyżej temperatury krytycznej właściwej dla zerowego pola magnetycznego. Tech Explorist, streszczając badanie, wskazuje też na wzrost zdolności przenoszenia prądu w takim stanie. Innymi więc słowy, magnes, który w klasycznej intuicji powinien działać jak gaśnica, zachował się bardziej jak pokrętło podbijające efekt.
Mówimy tutaj jednak ciągle o eksperymentach wykonywanych w ultraniskich temperaturach, na atomowo cienkich próbkach i w bardzo precyzyjnie kontrolowanych warunkach. Dla mnie znaczenie tego odkrycia leży więc gdzieś indziej. Pokazuje bowiem, że nadprzewodnictwo w materiałach dwuwymiarowych nie jest jednym zjawiskiem do “włączenia”, tylko całą rodziną stanów, które można wywoływać napięciem, gęstością nośników, geometrią warstw i polem magnetycznym.
Ołówkowy grafit ukrywał więcej, niż myśleliśmy
W najnowszym eksperymencie ważne było także to, że zespół nie tylko dodawał elektrony do próbek, jak było to już robione wcześniej, ale zaczął je ostrożnie usuwać, zmieniając gęstość elektronową materiału. Właśnie wtedy pojawiły się cztery różne stany nadprzewodzące, z których trzy przetrwały w silnym polu magnetycznym. Taka regulacja elektryczna jest jednym z powodów, dla których grafen staje się tak użyteczny jako modelowy plac badań nad materią skorelowaną. Nie trzeba za każdym razem wymyślać nowego pierwiastka ani syntetyzować egzotycznego związku. Czasem wystarczy bowiem po prostu inaczej ułożyć warstwy i przestawić warunki eksperymentu.
Czytaj też: Czy to koniec budownictwa jakie znamy? Naukowcy udowodnili brutalną prawdę
Romboedryczny grafen ma w tym kontekście przewagę nad wieloma bardziej kapryśnymi układami. Wszystko przez swoją wysoką jakość krystaliczną, mały poziom nieporządku oraz możliwość strojenia silnych korelacji elektronowych za pomocą bramek elektrycznych. W efekcie badacze dostają materiał, w którym elektrony można zmuszać do nietypowych zachowań, a to wszystko bez niszczenia całego układu przypadkowymi defektami.
Warto zestawić to z wcześniejszym entuzjazmem wokół grafenu o magicznym kącie. Tam również manipulacja geometrią warstw prowadziła do nadprzewodnictwa i innych egzotycznych efektów, ale wymagała wyjątkowo precyzyjnego skręcenia warstw. Podobny trop pojawiał się przy twistonice i grafenie o magicznych właściwościach, gdzie kluczowe było właśnie to, że mechanizm nie pasuje do prostego obrazu klasycznych nadprzewodników. Różnica polega na tym, że romboedryczny grafen nie musi być magicznie skręcony. Warstwy są przesunięte względem siebie jak stopnie schodów, a to już wystarcza, żeby elektrony zaczęły grać według innych zasad.
Właśnie dlatego takie badania wyglądają jak zapowiedź przyszłej elektroniki, choć jeszcze nie przyszłej elektroniki użytkowej. Nie chodzi wyłącznie o to, że “grafen może kiedyś zrobić szybszy procesor”. Chodzi raczej o przejście od klasycznej elektroniki, w której materiał ma dość stałe właściwości, do elektroniki stanów kwantowych, gdzie jeden mikroskopijny układ można przełączać między różnymi fazami materii. Podobny kierunek widać zresztą przy płaskich pasmach elektronowych i materiałach, w których korelacje zaczynają dominować nad klasycznym ruchem elektronów. Nie oznacza to jednak, że grafen z ołówka otworzy tu i teraz drogę do rewolucji energetycznej.
Źródła: MIT News, Tech Explorist
