Grafenes sovende superledningsevne vågner

Forskere har fundet en måde at udløse det medfødte, men tidligere skjult, grafens evne til at fungere som en superleder - hvilket betyder, at den kan bringes til at føre en elektrisk strøm med nul modstand.

Fundet, rapporteret i Naturkommunikation , yderligere øger potentialet for grafen, som i forvejen i vid udstrækning ses som et materiale, der kan revolutionere industrier som sundhedspleje og elektronik. Grafen er et todimensionelt ark af kulstofatomer og kombinerer flere bemærkelsesværdige egenskaber; for eksempel, den er meget stærk, men også let og fleksibel, og meget ledende.

Siden opdagelsen i 2004, videnskabsmænd har spekuleret i, at grafen også kan have kapacitet til at være en superleder. Indtil nu, superledning i grafen er kun blevet opnået ved at dope det med, eller ved at placere den på, et superledende materiale - en proces, der kan kompromittere nogle af dets andre egenskaber.

Men i den nye undersøgelse, forskere ved University of Cambridge formåede at aktivere det sovende potentiale for grafen til at superlede i sig selv. Dette blev opnået ved at koble det med et materiale kaldet praseodymium cerium kobberoxid (PCCO).

Superledere bruges allerede i adskillige applikationer. Fordi de genererer store magnetiske felter, er de en væsentlig komponent i MR-scannere og svævende tog. De kunne også bruges til at lave energieffektive elledninger og enheder, der er i stand til at lagre energi i millioner af år.

Superledende grafen åbner op for endnu flere muligheder. Forskerne foreslår, for eksempel, at grafen nu kunne bruges til at skabe nye typer superledende kvanteenheder til højhastighedsberegning. Spændende nok, det kan også bruges til at bevise eksistensen af ​​en mystisk form for superledning kendt som "p-bølge" superledning, som akademikere har kæmpet for at verificere i mere end 20 år.

Forskningen blev ledet af Dr. Angelo Di Bernardo og Dr. Jason Robinson, Fellows ved St John's College, University of Cambridge, sammen med samarbejdspartnere professor Andrea Ferrari, fra Cambridge Graphene Centre; Professor Oded Millo, fra det hebraiske universitet i Jerusalem, og professor Jacob Linder, ved Norges teknisk-naturvidenskabelige universitet i Trondheim.

"Det har længe været postuleret, at under de rette forhold, grafen skulle gennemgå en superledende overgang, men kan ikke, " sagde Robinson. "Idéen med dette eksperiment var, hvis vi kobler grafen til en superleder, kan vi slå den iboende superledning til? Spørgsmålet bliver så, hvordan ved du, at den superledning, du ser, kommer inde fra selve grafenen, og ikke den underliggende superleder?"

Lignende tilgange er blevet taget i tidligere undersøgelser med metallisk-baserede superledere, men med begrænset succes. "At placere grafen på et metal kan dramatisk ændre egenskaberne, så det teknisk set ikke længere opfører sig, som vi ville forvente, " sagde Di Bernardo. "Det, du ser, er ikke grafens iboende superledningsevne, men blot det, at den underliggende superleder bliver videregivet."

PCCO er et oxid fra en bredere klasse af superledende materialer kaldet "cuprates". Det har også velforståede elektroniske egenskaber, og ved at bruge en teknik kaldet scannings- og tunnelmikroskopi, forskerne var i stand til at skelne superledningsevnen i PCCO fra superledningsevnen observeret i grafen.

Superledning er karakteriseret ved den måde elektronerne interagerer på:i en superleder danner elektroner par, og spin-justeringen mellem elektronerne i et par kan være forskellig afhængig af typen - eller "symmetri" - af superledning, der er involveret. I PCCO, for eksempel, parrenes spin-tilstand er forkert justeret (antiparallel), i det, der er kendt som en "d-bølgetilstand".

Derimod da grafen blev koblet til superledende PCCO i det Cambridge-ledede eksperiment, resultaterne antydede, at elektronparrene i grafen var i en p-bølgetilstand. "Det vi så i grafen var, med andre ord, en meget anden type superledning end i PCCO, " sagde Robinson. "Dette var et virkelig vigtigt skridt, fordi det betød, at vi vidste, at superledningsevnen ikke kom udefra, og at PCCO'en derfor kun var påkrævet for at frigøre den iboende superledning af grafen."

Det er stadig uklart, hvilken type superledning holdet aktiverede, men deres resultater indikerer stærkt, at det er den undvigende "p-bølge" form. Hvis så, undersøgelsen kunne transformere den igangværende debat om, hvorvidt denne mystiske type superledning eksisterer, og - i givet fald - hvad det præcist er.

I 1994, forskere i Japan fremstillede en triplet-superleder, der kan have en p-bølgesymmetri ved hjælp af et materiale kaldet strontiumruthenat (SRO). SRO's p-bølgesymmetri er aldrig blevet fuldt verificeret, delvist hindret af det faktum, at SRO er en omfangsrig krystal, hvilket gør det udfordrende at fremstille den type enheder, der er nødvendige for at teste teoretiske forudsigelser.

"Hvis p-bølge superledning faktisk skabes i grafen, grafen kunne bruges som et stillads til skabelse og udforskning af et helt nyt spektrum af superledende enheder til grundlæggende og anvendte forskningsområder, " sagde Robinson. "Sådanne eksperimenter ville nødvendigvis føre til ny videnskab gennem en bedre forståelse af p-bølge superledning, og hvordan den opfører sig i forskellige enheder og indstillinger."

Undersøgelsen har også yderligere implikationer. For eksempel, det tyder på, at grafen kunne bruges til at lave en transistorlignende enhed i et superledende kredsløb, og at dens superledningsevne kunne inkorporeres i molekylær elektronik. "I princippet, givet de mange forskellige kemiske molekyler, der kan binde til grafens overflade, denne forskning kan resultere i udviklingen af ​​molekylære elektroniske enheder med nye funktionaliteter baseret på superledende grafen, " tilføjede Di Bernardo.