Pažadintas grafeno superlaidumas – naujas puslapis ne tik grafeno, bet ir superlaidumo istorijoje

Nuo pat atradimo 2004-aisiais, mokslininkai spekuliavo, kad grafenas galėtų būti ir superlaidus. Iki šiol superlaidumas grafene buvo pasiektas tik papildant jį – arba uždedant ant jo – superlaidžia medžiaga. Tačiau toks procesas galėjo pakeisti ir kai kurias kitas jo savybes.

Bet Kembridžo universiteto tyrėjams pavyko aktyvuoti pačio grafeno miegantį superlaidumo potencialą. Tai pasiekta, suporuojant grafeną su prazeodimio cerio vario oksidu (PCCO).

Superlaidininkai plačiai naudojami jau dabar. Kadangi jie kuria galingus magnetinius laukus, jie yra esminis MRI skenerių ir levituojančių traukinių komponentas. Jie taip pat galėtų būti panaudoti elektros linijose ir įrenginiuose, galinčiuose išsaugoti energiją milijonus metų.

Superlaidus grafenas atveria dar daugiau galimybių. Tyrėjai mano, kad grafenas galėtų būti panaudotas, kuriant naujo tipo superlaidžius ir itin sparčius kvantinius įrenginius. Kas dar labiau intriguoja, jis taip pat galėtų būti panaudotas, įrodant paslaptingos superlaidumo formos, vadinamojo „p-bangos“ superlaidumo, egzistavimo įrodymui. Mokslininkai šį reiškinį patikrinti bando jau daugiau nei 20 metų.

Tyrimui vadovavo Dr Angelo Di Bernardo ir Dr Jason Robinson iš St John's koledžo ir Kembridžo universiteto, bendradarbiavo profesorius Andrea Ferrari ir Kembridžo grafeno centro; profesorius Oded Millo, iš Hebrajų universiteto Jeruzalėje, ir profesorius Jacob Linder, iš Norvegijos Mokslų ir technologijos universiteto Trondheime.

„Jau buvo seniai postuluojama, kad esant tinkamoms sąlygoms, grafenas turėtų tapti superlaidus, bet negali,“ sakė Robinsonas. „Šis eksperimentas paremtas idėja – gal, suporavę grafeną ir superlaidininką, galėtume tą įgimtą superlaidumą įjungti? Tada kyla klausimas, kaip sužinoti, ar stebimas superlaidumas yra paties grafeno, ar pridėto superlaidininko?“

Panašiai vykdyti ankstesniuose bandymuose su metaliniais superlaidininkais, bet sėkmė buvo buvo labai kukli. „Padėjus ant metalo, grafeno savybės gali dramatiškai pakisti, tad praktiškai jis elgiasi ne taip kaip tikimasi,“ paaiškino Di Bernardo. „Tai, ką matome, nėra paties grafeno superlaidumas, o pridėto superlaidininko.“

PCCO yra oksidas iš platesnės superlaidžių medžiagų klasės, vadinamųjų kupratų. Jos elektroninės savybės gerai žinomos, tad, naudodami skenuojančios ir tunelinės mikroskopijos techniką, tyrėjai galėjo atskirti PCCO superlaidumą, nuo superlaidumo grafene.

Superlaidumą charakterizuoja elektronų sąveika: superlaidininke elektronai sudaro poras, o poros elektronų sukinio rikiavimosi kryptis gali skirtis, žiūrint, kokios „simetrijos“ tai superlaidininkas. Pavyzdžiui, PCCO elektronų porų sukiniai yra nesurikiuoti (antiparaleliniai), o būsena vadinama „d-bangos būsena".

Tuo tarpu, kai Kembridžo eksperimente grafenas buvo sujungtas su superlaidžiu PCCO, rezultatai rodė, kad elektronų poros grafene buvo p-bangos būsenos. „Pamatėme, kad grafeno superlaidumo tipas labai skiriasi nuo PCCO,“ sakė Robinsonas. „Tai iš tiesų labai svarbu, nes žinojome, kad superlaidumas kyla ne iš išorė ir PCCO tebuvo reikalingas įgimtos grafeno superlaidumo galios išlaisvinimui.“

Tebelieka neaišku, kokį superlaidumo tipą komanda aktyvavo, bet jų rezultatai aiškiai rodo, kad tai yra efemeriškoji „p-bangos“ forma. Jei taip, šis tyrimas pakeisti vykstančius debatus, ar tokio tipo superlaidumas egzistuoja, ir – jei taip – kas tiksliai tai yra.

1994 metais tyrėjai Japonijoje pagamino superlaidininkų tripletą, kuris galbūt turėjo p-bangos simetriją, naudodami stroncio rutenatą (SRO). SRO p-bangos simetrija niekad nebuvo visiškai patvirtinta, iš dalies dėl to, kad SRO stambus kristalas, iš kurio sunku pagaminti įrenginius, kuriais būtų galima tikrinti teorines prognozes.

„Jei grafene išties sukurtas p-bangos superlaidumas, grafenas galėtų būti panaudotas kaip visiškai naujo tipo superlaidininkų fundamentaliems ir taikomiesiems tyrimams ir tyrinėjimams,“ sakė Robinsonas. „Tokie eksperimentai neišvengiamai suteiktų geresnį p-bangos tipo superlaidumo supratimą ir kaip jis pasireiškia skirtinguose įrenginiuose, esant skirtingiems nustatymams.“

Tyrimo implikacijos siekia ir toliau. Pavyzdžiui, jis rodo, kad grafenas galėtų būti naudojamas kaip tranzistorius superlaidžiuose grandymuose, ir kad šis superlaidumas galėtų būti panaudotas molekulinėje elektronikoje. „Iš principo, turint omeny visą cheminių molekulių, galinčių prisijungti prie grafeno paviršiaus, įvairovę, šis tyrimas gali paskatinti molekulinės elektronikos įrenginių kūrimą, kurių naujas funkcionalumas remsis superlaidžiu grafenu,“ pridūrė Di Bernardo.

Daugiau informacijos:
P-bangos triggered superconductivity in single layer graphene on an electron-doped oxide superconductor,Nature Communications, DOI: 10.1038/NCOMMS14024

Žurnalo nuoroda: Nature Communications