Οι υπεραγωγοί γραφενίου μπορεί να είναι λιγότερο εξωτικοί από ό,τι ήλπιζαν οι φυσικοί

Πριν από τρία χρόνια, οι φυσικοί ανακάλυψαν ότι δύο στοιβαγμένα φύλλα άνθρακα με μια μικροσκοπική συστροφή 1,1 μοιρών μεταξύ τους θα μπορούσαν να επιδείξουν μια εκθαμβωτική σειρά συμπεριφορών. Το πιο γνωστό είναι ότι όταν ψύχεται σε χαμηλές θερμοκρασίες, το υλικό άγει ηλεκτρισμό με μηδενική αντίσταση.

Οι ερευνητές έσπευσαν να καταλάβουν γιατί το στριμμένο γραφένιο διπλής στιβάδας (όπως ονομάζεται) γίνεται υπεραγωγός, με μια μορφή υπεραγωγιμότητας που φαίνεται ασυνήθιστα ισχυρή. Πολλοί θεωρητικοί ήλπιζαν ότι η ανακάλυψη θα επανέγραφε την κατανόησή τους για την υπεραγωγιμότητα και ίσως ακόμη και να επιτρέψει στους ερευνητές να κατασκευάσουν υλικά ικανά να διατηρήσουν το φαινόμενο σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Αλλά η έντονη εστίαση σε αυτή τη συστροφή μεταξύ των φύλλων γραφενίου μπορεί να ήταν μια περίπτωση λανθασμένης κατεύθυνσης. Μια ομάδα φυσικών ανακοίνωσε σήμερα σε μια διαδικτυακή διάσκεψη ότι παρατήρησε την υπεραγωγιμότητα σε μια τριώροφη στοίβα γραφενίου χωρίς καθόλου στροφές. Η ανακάλυψη, με επικεφαλής τους Andrea Young και Haoxin Zhou του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, Santa Barbara, θα μπορούσε να επαναφέρει τις συζητήσεις σχετικά με την υπεραγωγιμότητα στο γραφένιο. Έχει οδηγήσει ορισμένους θεωρητικούς να υποπτεύονται ότι η υπεραγωγιμότητα του γραφενίου είναι τελικά η ποικιλία βανίλιας.

"Αυτή είναι μια πολύ σημαντική ανακάλυψη που δείχνει ότι η υπεραγωγιμότητα [στο γραφένιο] είναι, κατά κάποιο τρόπο, κανονική", δήλωσε ο Sankar Das Sarma, ένας θεωρητικός φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ που δεν συμμετείχε στην έρευνα.

Αλλά τα στοιχεία για τη συμβατική υπεραγωγιμότητα δεν είναι πειστικά. Και οι ερευνητές σημειώνουν ότι η υπεραγωγιμότητα του συνεστραμμένου γραφενίου θα μπορούσε να είναι ακόμα εξωτική, ακόμα κι αν δεν είναι η υπεραγωγιμότητα του στριμμένου γραφενίου.

Ο Albert Einstein, ο Richard Feynman και ο Werner Heisenberg είναι μόνο μερικοί από τους τιτάνες της φυσικής του 20ου αιώνα που προσπάθησαν και απέτυχαν να καταλάβουν γιατί πολλά μέταλλα φέρουν ρεύμα χωρίς αντίσταση σε χαμηλές θερμοκρασίες. Το 1957, σχεδόν μισό αιώνα μετά την ανακάλυψη αυτού του τυπικού είδους υπεραγωγιμότητας, οι John Bardeen, Leon Cooper και John Robert Schrieffer εξήγησαν τελικά το φαινόμενο, ένα επίτευγμα που τους χάρισε το Νόμπελ Φυσικής.

Προσδιόρισαν ότι τα ηχητικά κύματα στα μέταλλα - κυματισμοί όπου τα άτομα συνδυάζονται, που ονομάζονται φωνόνια - δημιουργούν συγκεντρώσεις θετικού φορτίου που προσελκύουν ηλεκτρόνια, τα οποία είναι αρνητικά φορτισμένα. Τα φωνόνια κολλούν ηλεκτρόνια μεταξύ τους σε "ζεύγη Cooper". Συνδυασμένα με αυτόν τον τρόπο, τα ηλεκτρόνια παίζουν με διαφορετικούς κβαντομηχανικούς κανόνες, συντήκοντας σε ένα κβαντικό ρευστό του οποίου η ροή δεν κολλάει πλέον από τα άτομα στο πλέγμα. Αυτή η μεσολαβούμενη από φωνόνια θεωρία, γνωστή (μετά τα αρχικά των συγγραφέων της) ως BCS, ταιριάζει σχεδόν με όλα τα πειράματα υπεραγωγιμότητας.

Εναλλακτικοί τρόποι συγκόλλησης ηλεκτρονίων μεταξύ τους λειτουργούν σε χαρτί και οι πειραματιστές έχουν δει σημάδια αινιγματικής ισχυρής «μη συμβατικής» κόλλας σε ορισμένους υπεραγωγούς, αλλά τέτοιοι ισχυρισμοί παραμένουν αδιευκρίνιστοι.

«Είναι σαν να σου πει κάποιος σε κάποιο πολύ μακρινό χωριό σε κάποιο νησί ότι υπάρχουν άνθρωποι με τρία κεφάλια», είπε ο Ντας Σάρμα. «Θα έπρεπε να είσαι πολύ, πολύ δύσπιστος.»

Το 2018, ορισμένοι ερευνητές σκέφτηκαν ότι μπορεί να είχαν σκοντάψει σε ένα τέτοιο μυθικό νησί εξωτικής υπεραγωγιμότητας, καθώς το στριμμένο διπλοστιβαδικό γραφένιο φαινόταν να συνδέει με κάποιο τρόπο τα ηλεκτρόνια πολύ πιο σφιχτά μεταξύ τους από ό,τι οι περισσότεροι υπεραγωγοί. Ο ενθουσιασμός αυξήθηκε νωρίτερα φέτος με την ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας σε ένα παρόμοιο σύστημα:τρία στρώματα γραφενίου στριμμένα με τη δική τους ειδική γωνία. Και τα δύο συστήματα μοιράζονταν μια σπάνια περιστροφική συμμετρία 180 μοιρών, η οποία οι θεωρητικοί υποστήριξαν ότι θα μπορούσε να υποστηρίξει μια ιδιαίτερα εξωτική μορφή υπεραγωγιμότητας που βασίζεται σε δίνες ηλεκτρονίων γνωστές ως σκυρμιόνια.

Αλλά η νέα ενσάρκωση του υπεραγώγιμου γραφενίου φαίνεται εντυπωσιακά απλή.

Το τριστρωματικό γραφένιο ABC, όπως ο Young και οι συνεργάτες του αποκαλούν τη στοίβα γραφενίου τους, είναι ένα από τα πιο καθαρά και απλά υλικά που θα μπορούσαν να φτιάξουν. Το δεύτερο και το τρίτο στρώμα μετατοπίζονται αντί να συστρέφονται, το καθένα ωθείται από μια επιπλέον μισή κηρήθρα, έτσι τα άτομα άνθρακα κάτω πέφτουν στο κέντρο των δικτυωμάτων πάνω.

Η στοίβαξη φύλλων γραφενίου είναι δύσκολη, με ή χωρίς περιστροφές. Οι στριμμένες συσκευές είναι γεμάτες με ρυτίδες που διαταράσσουν τη μαγική γωνία σε διαφορετικές ζώνες, καθιστώντας κάθε συσκευή μοναδική. Ακόμη και όταν ο Young και οι συνεργάτες του κατασκεύασαν τις συσκευές τριών επιπέδων ABC, οι περισσότερες προσπάθειες επανήλθαν σε ένα εναλλακτικό μοτίβο στοίβαξης. Αλλά - σε αντίθεση με τα ιδιότροπα στριμμένα δείγματα - αυτά που έμειναν ήταν πανομοιότυπα μέχρι το τελευταίο άτομο. Τα άτομα «κλείνουν στη θέση τους όπως τα Lego», είπε ο Young.

Μόλις η ομάδα είχε την πρώτη της συσκευή ABC, χρησιμοποίησε ένα ρυθμιζόμενο ηλεκτρικό πεδίο για να ανακατέψει ηλεκτρόνια μεταξύ των παρθένων στιβάδων. Καθώς συντόνιζε την κατανομή των ηλεκτρονίων σε κρυογονικές θερμοκρασίες, είδαν ότι το σύστημα συμπεριφέρθηκε όπως το συνεστραμμένο γραφένιο, πηδώντας ανάμεσα σε διάφορους τύπους μαγνητικής συμπεριφοράς, όπως υποδεικνύεται από αλλαγές στον τρόπο με τον οποίο η συσκευή επιβράδυνε το ηλεκτρικό ρεύμα. Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους σε προεκτύπωση Απριλίου.

Όταν εξέτασαν τις μεταβάσεις με περισσότερες λεπτομέρειες, εντόπισαν σύντομες τρεμούλες μηδενικής ηλεκτρικής αντίστασης — υπεραγωγιμότητας — όταν το υλικό ήταν περίπου το ένα δέκατο της μοίρας πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Αν και ο Young και οι συνάδελφοί του δεν έχουν τρόπο να κοιτάξουν απευθείας τα ζεύγη ηλεκτρονίων Cooper, βρήκαν συμπεριφορά που θα αναγνώριζαν οι Bardeen, Cooper και Schrieffer:Η κίνηση των ηλεκτρονίων μεταξύ των τριών στιβάδων αύξησε τον αριθμό των πιθανών διαμορφώσεων από τα ηλεκτρόνια, μια ποσότητα γνωστή ως «πυκνότητα καταστάσεων» του συστήματος. Σε υψηλές πυκνότητες καταστάσεων, τα ηλεκτρόνια μπορούν πιο εύκολα να αδελφοποιηθούν μεταξύ τους. Η θεωρία του BCS προβλέπει ότι αυτή η ηλεκτρονική ελευθερία βοηθά τον σχηματισμό ζευγών Cooper, και αυτό είναι που βρήκαν οι ερευνητές:Καθώς η πυκνότητα των καταστάσεων αυξανόταν, το υλικό εμφάνισε δύο κτυπήματα υπεραγωγιμότητας.

Δεδομένου ότι η εξίσωση BCS φαίνεται να ισχύει, τα συνηθισμένα φωνόνια μπορεί να είναι υπεύθυνα για την υπεραγωγιμότητα.

«Τράζει σαν πάπια και περπατάει σαν πάπια», είπε ο Ντας Σάρμα. "Τα φωνόνια είναι φυσικό να υποθέσουμε."

Άλλοι είναι λιγότερο πεπεισμένοι, σημειώνοντας ότι τα στοιχεία που υποστηρίζουν τα φωνόνια στο γραφένιο τριών στιβάδων ABC παραμένουν ακατέργαστα. Η υπεραγωγιμότητα φαίνεται να παρακολουθεί με την υψηλότερη πυκνότητα των καταστάσεων, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι η εξίσωση BCS τηρείται λεπτομερώς, είπε ο Mike Zaletel, ένας φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ που συμβουλεύτηκε τον Young κατά τη διάρκεια της έρευνας και βοήθησε στην ανάπτυξη η θεωρία του σκυρμιονίου της υπεραγωγιμότητας.

Στα δεδομένα του Young, ο Zaletel βλέπει υπαινιγμούς ενός ήπια εξωτικού είδους υπεραγωγιμότητας - κάτι σαν νησί με πληθυσμό με έξι δάχτυλα, παρά ανθρώπους με τρία κεφάλια. Εξήγησε ότι και οι δύο λάμψεις υπεραγωγιμότητας εμφανίστηκαν αμέσως πριν τα ηλεκτρόνια οργανωθούν σε σιδηρομαγνητικές καταστάσεις, όπου οι κατευθύνσεις σπιν τους ευθυγραμμίστηκαν. Καθώς οι περιοχές ηλεκτρονίων άρχισαν να ευθυγραμμίζονται, αυτοί οι κυμαινόμενοι θύλακες ομοιομορφίας θα μπορούσαν να έχουν δεσμεύσει ηλεκτρόνια σε ζεύγη Cooper, όπως και τα φωνόνια.

Η ομάδα του Young δοκιμάζει ήδη εάν ο σιδηρομαγνητισμός είναι το κλειδί για την έναρξη της υπεραγωγιμότητας στο τριστρωματικό γραφένιο ABC ή αν είναι άσχετο — κάτι που θα υπονοούσε τα συμβατικά φωνόνια.

Πολλοί φυσικοί αισθάνονται αισιόδοξοι ότι η νέα πλατφόρμα του Young θα τους βοηθήσει να καταλάβουν πώς τα ηλεκτρόνια υπεραγωγούν στο γραφένιο. Οι ιδιοσυγκρασίες κάθε συσκευής συνεστραμμένου γραφενίου καθιστούσαν αδύνατο ακόμη και ένα μεμονωμένο εργαστήριο να αναπαράγει πανομοιότυπα τα δικά του αποτελέσματα. Το τριστρωματικό γραφένιο ABC, με την τέλεια διάταξη του, ξεπερνά αυτή την πρόκληση.

«Τα υλικά είναι περίπλοκα και έχουν τον τρόπο να μας λένε ψέματα», είπε ο Στίβεν Κίβελσον, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. "Αυτό που είναι συναρπαστικό για αυτήν την εξέλιξη" είναι ότι υπόσχεται αναπαραγώγιμα υλικά, "ώστε να μπορούν όλοι να λάβουν την ίδια απάντηση."

Δεδομένου ότι το γραφένιο ABC μπορεί να γίνει υπεραγωγός και διάφοροι τύποι μαγνήτων, όλα χωρίς περιστροφές ή άλλα προφανή κόλπα, υποδηλώνει επίσης ότι ένα πολύ ευρύτερο φάσμα αρκετά συνηθισμένων υλικών μπορεί να έχει αγνοημένη μαγεία. Αυτή η ευελιξία υλικού "μπορεί να κρύβεται σε κοινή θέα πολύ πιο πανταχού παρόν από ό,τι πιστεύαμε", είπε ο Young.