Fizičari otkrili supravodič koji je ujedno i magnet

U radu koji se pojavljuje u časopisu Nature, američki fizičari s MIT instituta izvještavaju da su otkrili „kiralni supravodič“, materijal koji provodi električnu energiju bez otpora, a također je, paradoksalno, intrinzično magnetski. Štoviše, primijetili su ovu egzotičnu supravodljivost u iznenađujuće običnom materijalu grafitu. 

Grafit je napravljen od mnogo slojeva grafena, atomski tankih, rešetkastih slojeva atoma ugljika, koji su složeni zajedno i lako se mogu odlomiti kada se primijeni pritisak, kao kada se pritišće za pisanje po komadu papira. Jedna pahuljica grafita može sadržavati nekoliko milijuna slojeva grafena, koji su obično složeni tako da se svaki drugi sloj poravnava. Ali s vremena na vrijeme, grafit sadrži sitne džepove u kojima je grafen složen u drugačijem uzorku, nalik stubištu pomaknutih slojeva. 

MIT-ov tim je otkrio da kada se četiri ili pet slojeva grafena slože u ovu "romboedričnu" konfiguraciju, rezultirajuća struktura može pokazati iznimna elektronička svojstva koja se ne vide u grafitu kao cjelini. 

U svojoj novoj studiji, fizičari su izolirali mikroskopske pahuljice romboedarskog grafena iz grafita i podvrgli pahuljice nizu električnih testova. Otkrili su da kada se pahuljice ohlade na 300 milikelvina (oko -273 stupnja Celzija), materijal se pretvara u supravodič, što znači da svaka električna struja koja prolazi kroz materijal može teći bez otpora. 

Također su otkrili da kada pomiču vanjsko magnetsko polje gore-dolje, pahuljice se mogu prebacivati ​​između dva različita supravodljiva stanja, baš poput magneta. To sugerira da supravodič ima neki unutarnji, intrinzični magnetizam. Takvo ponašanje prebacivanja nije prisutno kod drugih supravodiča. 

„Općenito je poznato da supravodiči ne vole magnetska polja“, kaže Long Ju, docent fizike na MIT-u. „Ali vjerujemo da je ovo prvo opažanje supravodiča koji se ponaša kao magnet s tako izravnim i jednostavnim dokazima. A to je prilično bizarna stvar jer je protivno općem dojmu ljudi o supravodljivosti i magnetizmu.“ 

U svakodnevnim vodljivim materijalima, elektroni teku u kaotičnom metežu, probijajući se jedni pored drugih i udarajući o atomsku rešetku materijala. Svaki put kada se elektron rasprši s atoma, on je u biti naišao na određeni otpor i kao rezultat toga gubi dio energije, obično u obliku topline.

Nasuprot tome, kada se određeni materijali ohlade na ultraniske temperature, mogu postati supravodljivi, što znači da materijal može dopustiti elektronima da se sparuju, u onome što fizičari nazivaju "Cooperovi parovi". Umjesto da se rasprše, ovi elektronski parovi klize kroz materijal bez otpora. Kod supravodiča se, dakle, energija ne gubi u translaciji. 

Otkad je supravodljivost prvi put uočena 1911. godine, fizičari su mnogo puta pokazali da je nulti električni otpor obilježje supravodiča. Još jedno definirajuće svojstvo prvi put je uočeno 1933. godine, kada je fizičar Walther Meissner otkrio da supravodič izbacuje vanjsko magnetsko polje. Ovaj "Meissnerov efekt" dijelom je posljedica elektronskih parova supravodiča, koji zajedno djeluju kako bi odgurnuli bilo koje magnetsko polje. 

Fizičari su pretpostavili da bi svi supravodljivi materijali trebali pokazivati ​​i nulti električni otpor i prirodno magnetsko odbijanje. Doista, ta dva svojstva omogućila bi Maglev, ili vlakove "magnetske levitacije", pri čemu supravodljiva tračnica odbija i stoga levitira magnetizirani automobil. 

Ju i njegovi kolege nisu imali razloga dovoditi u pitanje ovu pretpostavku dok su provodili svoje eksperimente na MIT-u. Posljednjih nekoliko godina tim je istraživao električna svojstva petoslojnog romboedarskog grafena. Istraživači su primijetili iznenađujuća svojstva u petoslojnoj, stepenastoj strukturi grafena, a najnovije je da omogućuje  elektronima da se razdvoje na dijelove samih sebe . Ovaj fenomen se događa kada se petoslojna struktura postavi na vrh heksagonalnog borovog nitrida (materijala sličnog grafenu) i malo pomaknuta za određeni kut ili uvijanje. 

Znatiželjni kako bi se udjeli elektrona mogli mijenjati s promjenjivim uvjetima, istraživači su nakon svog početnog otkrića proveli slične testove, ovaj put pomicanjem grafena i heksagonalnih struktura borovog nitrida. Na njihovo iznenađenje, otkrili su da kada su pomaknuli dva materijala i propustili električnu struju, na temperaturama manjim od 300 milikelvina, izmjerili su nulti otpor. Činilo se da je fenomen udjela elektrona nestao, a umjesto toga pojavila se supravodljivost. 

Istraživači su otišli korak dalje kako bi vidjeli kako će ovo novo supravodljivo stanje reagirati na vanjsko magnetsko polje. Primijenili su magnet na materijal, zajedno s naponom, i izmjerili električnu struju koja izlazi iz materijala. Dok su mijenjali magnetsko polje iz negativnog u pozitivno (slično sjevernom i južnom polaritetu) i natrag, primijetili su da materijal održava svoje supravodljivo stanje s nultim otporom, osim u dva slučaja, jednom pri bilo kojem magnetskom polaritetu. U tim slučajevima, otpor je nakratko porastao, prije nego što se vratio na nulu i vratio se u supravodljivo stanje. 

„Da je ovo konvencionalni supravodič, ostao bi na nultom otporu sve dok magnetsko polje ne dosegne kritičnu točku, gdje bi supravodljivost nestala“, kaže Zach Hadjri, student prve godine u grupi. „Umjesto toga, čini se da se ovaj materijal prebacuje između dva supravodljiva stanja, poput magneta koji je u početku usmjeren prema gore, a može se okrenuti prema dolje kada primijenite magnetsko polje. Dakle, izgleda da je ovo supravodič koji se također ponaša kao magnet. Što nema nikakvog smisla!“ 

Koliko god se otkriće činilo nelogičnim, tim je primijetio isti fenomen u šest sličnih uzoraka. Sumnjaju da je ključ jedinstvena konfiguracija romboedarskog grafena. Materijal ima vrlo jednostavan raspored atoma ugljika. Kada se ohladi na ultraniske temperature, toplinska fluktuacija se minimizira, što omogućuje usporavanje elektrona koji teku kroz materijal, međusobne reakcije i interakciju. 

Takve kvantne interakcije mogu dovesti do sparivanja elektrona i supravodljivosti. Ove interakcije također mogu potaknuti elektrone na koordinaciju. Naime, elektroni mogu kolektivno zauzeti jedno od dva suprotna stanja momenta ili "doline". Kada su svi elektroni u jednoj dolini, oni se efektivno vrte u jednom smjeru, za razliku od suprotnog smjera. U konvencionalnim supravodičima, elektroni mogu zauzeti bilo koju dolinu, a bilo koji par elektrona obično se sastoji od elektrona suprotnih dolina koji se međusobno poništavaju. Par, dakle, ima nulti moment i ne vrti se. 

Međutim, u materijalnoj strukturi tima svi elektroni međusobno djeluju na način da dijele istu dolinu ili stanje momenta. Kada se elektroni zatim spare, supravodljivi par općenito ima "nenulti" moment i rotaciju, što, zajedno s mnogim drugim parovima, može rezultirati unutarnjim, supravodljivim magnetizmom.