Nové objavy môžu pomôcť navrhnúť výkonnejšie prístroje MRI alebo výkonnejšie kvantové počítače.

Fyzici z Massachusettského technologického inštitútu zaznamenali príznaky vzácneho typu supravodivosti v materiáli zvanom trojvrstvový grafén skrútený v magickom uhle. V štúdii uvedenej v prírodaVedci tvrdia, že materiál vykazuje supravodivosť v prekvapivo vysokých magnetických poliach až 10 Tesla, čo je trikrát viac, ako by materiál podľa očakávania vydržal, ak by išlo o konvenčný supravodič.

Výsledky silne naznačujú, že magický trojvrstvový grafén, ktorý pôvodne objavila rovnaká skupina, je veľmi vzácnym typom supravodiča, ktorý je známy ako „spin triplet“ a je odolný voči vysokým magnetickým poliam. Takéto exotické supravodiče by mohli výrazne vylepšiť techniky, ako je zobrazovanie magnetickou rezonanciou, pri ktorej sa používajú supravodivé drôty pod magnetickým poľom na rezonanciu s biologickými tkanivami a na ich zobrazovanie. MRI prístroje sú v súčasnosti obmedzené na magnetické polia od 1 do 3 Tesla. Ak by ich bolo možné vyrobiť pomocou trojitých vlákien, MRI by mohla pracovať pod vyššími magnetickými poľami a vytvárať tak jasnejšie a hlbšie obrazy ľudského tela.

Vedci môžu pri navrhovaní silnejších supravodičov pre praktické kvantové výpočty pomôcť aj nové dôkazy o supravodivosti trojitého spina v trojvrstvovom graféne.

„Hodnota tohto experimentu je to, čo nás naučí o základnej supravodivosti a o tom, ako sa materiály môžu správať, aby sme sa vďaka týmto ponaučeniam mohli pokúsiť navrhnúť princípy pre ďalšie materiály, ktoré sa dajú ľahšie vyrobiť, a možno vám to dá lepšiu supravodivosť. ”, Hovorí Pablo Jarillo Herrero, profesor fyziky Cecil a Ida Green z Massachusetts Institute of Technology.

Jeho spoluautormi sú postdoktorandský výskumník Yuan Kao a postgraduálny študent Jeong Min Park na MIT a Kenji Watanabe a Takashi Taniguchi z Národného ústavu materiálových vied v Japonsku.

zvláštna premena

Supravodivé materiály sú definované ich vysoko účinnou schopnosťou viesť elektrinu bez straty energie. Po vystavení elektrickému prúdu sa elektróny v supravodiči párujú v „pároch kooperácie“, ktoré potom cestujú cez materiál bez odporu, ako cestujúci v rýchlom vlaku.

Vo veľkej väčšine supravodičov majú tieto dvojice cestujúcich opačný spin, pričom jeden elektrón sa točí nahor a druhý dole – konfigurácia známa ako „spin singuláru“. Tieto páry sú akcelerované supravodičom, s výnimkou vysokých magnetických polí, ktoré môžu posúvať energiu každého elektrónu v opačných smeroch a oddeľovať tak pár od seba. Týmto spôsobom a prostredníctvom mechanizmov môžu vysoké magnetické polia narušiť supravodivosť v bežných spinových supravodičoch.

„Toto je hlavný dôvod, prečo supravodivosť zmizne v dostatočne veľkom magnetickom poli,“ hovorí Park.

Existuje ale niekoľko zvláštnych supravodičov, ktoré nie sú ovplyvnené magnetickými poľami, dokonca ani veľmi veľkých síl. Tieto materiály sú supravodivé prostredníctvom párov elektrónov, ktoré majú rovnakú spin – vlastnosť známa ako „trojitá spin“. Pri vystavení vysokým magnetickým poliam sa energia oboch elektrónov v dvojici Cooper posúva rovnakým smerom, a to takým spôsobom, že nie sú od seba oddelené, ale pokračujú v supravodivosti bez rušenia bez ohľadu na silu magnetického poľa.

Skupina Jarilla-Herrera bola zvedavá, či trojvrstvový magnéziový grafén môže byť vodítkom k neobvyklej trojvodičovej supravodivosti. Tím priniesol priekopnícku prácu pri štúdiu štruktúr grafénového moaré – vrstiev uhlíkových mriežok tenkých atómov, ktoré po nahromadení v konkrétnych uhloch môžu viesť k prekvapivému elektronickému správaniu.

Vedci spočiatku uvádzali také zvláštne vlastnosti na dvoch šikmých listoch grafénu, ktoré nazvali čarovný dvojvrstvový grafén. Čoskoro nasledovali testy trojvrstvového grafénu, sendvičovej tvorby troch plátov grafénu, ktorá sa ukázala byť silnejšia ako jeho dvojvrstvový náprotivok, pričom si pri vyšších teplotách zachovala svoju supravodivosť. Keď vedci použili skromné ​​magnetické pole, všimli si, že trojvrstvový grafén je schopný supravodenia pri intenzitách poľa, ktoré by zničili supravodivosť v dvojvrstvovom graféne.

„Mysleli sme si, že je to veľmi zvláštna vec,“ hovorí Jarilo Herrero.

zázračný návrat

Vo svojej novej štúdii fyzici testovali supravodivosť trojvrstvového grafénu pod čoraz vyššími magnetickými poľami. Materiál vyrobili exfoliáciou tenkých vrstiev uhlíka z bloku grafitu, stohovaním troch vrstiev k sebe a otočením strednej vrstvy o 1,56 stupňa vzhľadom na vonkajšie vrstvy. Na obidva konce materiálu pripojili elektródu, aby ňou prechádzali prúdom a merali všetku stratenú energiu v procese. Potom v laboratóriu zapli veľký magnet s poľom, ktoré smerovali rovnobežne s materiálom.

Keď zvýšili magnetické pole okolo trojvrstvového grafénu, všimli si, že supravodivosť sa udržala pomerne silne predtým, ako zmizla, ale potom sa znovu objavila zaujímavo pri vyšších silách poľa – veľmi neobvyklé oživenie, aké sa v bežných supravodičoch nevyskytuje.

„Ak v supravodičoch s jedným spinom zabijete supravodivosť, nikdy sa nevrátia – sú navždy preč,“ hovorí Kao. „Tu sa znovu objavil. Takže to určite naznačuje, že tento materiál nie je jediný kus.“

Tiež poznamenali, že po „opätovnom vstupe“ supravodivosť pretrvávala až do 10 Tesla, čo je maximálna intenzita poľa, ktorú dokáže laboratórny magnet vyprodukovať. To je asi trikrát viac, než by musel supravodič vydržať, ak by išlo o konvenčný spinový singel, podľa Pauliho hranice, teórie, ktorá predpovedá maximálne magnetické pole, v ktorom si materiál môže udržať supravodivosť.

Vzhľad trojvrstvovej grafénovej supravodivosti spolu s jej stabilitou vo vyšších ako očakávaných magnetických poliach vylučuje možnosť, že materiál je obyčajný supravodič. Namiesto toho je pravdepodobné, že pôjde o veľmi vzácny, pravdepodobne trojitý druh, ktorý hostí Cooperove páry, ktoré prechádzajú materiálom a sú nepriepustné pre vysoké magnetické polia. Tím plánuje vŕtať do materiálu s cieľom potvrdiť jeho presný stav točenia, čo by mohlo pomôcť pri navrhovaní výkonnejších MRI a výkonnejších kvantových počítačov.

„Pravidelné kvantové výpočty sú veľmi krehké,“ hovorí Jarillo Herrero. „Pozeráte sa na to a zmizne to homo. Pred asi 20 rokmi navrhli teoretici typ topologickej supravodivosti, ktorý by, ak by sa dosiahol v akomkoľvek materiáli, mohol [enable] Kvantový počítač, v ktorom sú štáty zodpovedné za výpočet veľmi silné. To by poskytlo nekonečnú moc na vykonávanie výpočtovej techniky. Primárnou súčasťou, ktorú si treba uvedomiť, sú supravodiče s trojitým spinom určitého typu. Netušíme, či je náš druh taký druh. Ale aj keby to tak nebolo, mohlo by to uľahčiť umiestnenie trojvrstvového grafénu s inými materiálmi na vytvorenie tohto typu supravodivosti. Môže to byť skvelý hack. Stále je však príliš skoro. ““

Odkaz: „Porušenie Pauliho limitu a opätovný vstup supravodivosti do zvlnenia grafénu“, autor: Yuan Kao, Jeong Min Park, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi a Pablo Jarillo-Herrero, 21. júla 2021, príroda.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-r

Tento výskum bol podporený Ministerstvom energetiky USA, Národnou vedeckou nadáciou, Nadáciou Gordona a Betty Mooreovej, Nadáciou Ramona Arrequesa a Programom kvantových materiálov Sevare.