Den ulige superledningsevne, der findes i lagdelt grafen
En illustration, der repræsenterer det ultratynde materiale grafen
Hvorfor tilbyder kolde tynde lag med kulstof ingen modstand mod elektriske strømme? To eksperimenter bringer os tættere på et svar-og måske endda til praktiske superledere i rumtemperaturer.
Kin Chung Fong ved Northeastern University i Massachusetts blev bedøvet, da en anden fysiker, Abhishek Banerjee ved Harvard University, fortalte ham et nummer over middagen. De studerede forskellige aspekter af grafen – ark med kulstof kun et atomtyk – men begge foretog det samme skøn over, hvor svært det skulle være for en elektrisk strøm, der flyder gennem grafen for pludselig at ændre sig.
Tidligere eksperimenter har vist, at meget kolde stabler på to eller tre lag grafen kan superledende eller perfekt udføre elektricitet uden modstand og energitab, hvis nogle af arkene drejes med en speciel vinkel. Men hvorfor dette sker forblev mystisk. De to fysikere mente, at den ejendom, de vurderede ved middagen, kaldet kinetisk induktans, kunne belyse svaret.
”Følelsen var som når du er i en trævandring (gennem) skoven, og pludselig finder du, ja, vent et øjeblik, jeg er ikke den eneste person i denne dybe skov,” siger Fong.
Sammen med andre kolleger gjorde de deres idé til to eksperimenter. En gruppe målte kinetisk induktans for to lag af stablet-og-twisted grafen; En anden gruppe fokuserede på tre lag.
Joel Wang ved Massachusetts Institute of Technology, der var i gruppen, der arbejdede på to-lags grafen, siger, at måling af kinetisk induktans tidligere havde været forbudt. Fordi flerlags grafen kun kan produceres i meget små stykker, producerede standardteknikker til måling af dens superledende strømme – såsom at udsætte den for partikler eller magnetiske felter – for store svage signaler. I stedet var begge hold nødt til at innovere en opsætning, hvor de små grafenflager blev udsat for mikrobølger, mens forskerne langsomt varierede egenskaber som temperatur, som skal holdes meget lav for at superledende overhovedet kunne forekomme.
Vi ved, at flerlags grafener superledninger, fordi elektronerne inde i det parrer sig op, og disse par flyder lettere i strømme end individuelle partikler. Men elektroner afviser typisk hinanden. Hvordan nøjagtigt partiklerne samles, og hvilke egenskaber disse par har, er stadig ikke forstået.
”Teori er (kører) bag eksperimenter her,” siger Miuko Tanaka på University of Tokyo, der også var i den to-lags gruppe.
For to lag af grafen fandt hendes team, at den superledende strøm er meget “stivere” – det modstår ændrer sig mere – end der er forudsagt af nogen konventionel teori om superledelse. De spores denne anomali tilbage til noget kaldet Quantum Geometry. Specifikt syntes formen på elektroners bølgefunktioner, der koder for alle deres egenskaber og mulige adfærd, at drive denne eksotiske type superledningsevne.
I Trilayer -grafen fandt forskere overraskende ligheder mellem den kinetiske induktans af deres prøve og opførslen af en familie af helt forskellige superledere – dem, der opretholder deres specielle egenskaber ved meget højere temperaturer.
På grund af dette siger både Banerjee og Tanaka, at disse eksperimenter kan gøre mere end at kaste lys over, hvorfor grafener superledninger-de kunne også afsløre nøgleegenskaber, der kræves til superledere af rumtemperaturer. Fysikere har søgt efter sådanne materialer i årtier i håb om, at brug af dem radikalt kunne reducere energiforbruget på mange enheder.
”Vi finder interessante love, der ser ud til at dukke op i begge disse materialesystemer. Det, vi afslører, er måske noget dybere, ”siger Banerjee. Begge hold planlægger at udføre lignende eksperimenter med andre meget tynde superledere.
”For nylig har der været så mange nye to-dimensionelle superledere, der er interessante, overraskende og slags usædvanlige,” siger Zeyu Hao, også på Harvard University, der var på teamet og undersøgte tre-lags grafen. For eksempel udviste et andet team tidligere denne måned forskning, der viser, at to-lags krystaller af et materiale kaldet Wolfram Diselenide udviser superledningsevne, når lagene er snoede i forhold til hinanden.
I mellemtiden har Haos kollega Mary Kreidel, nu på NASA Jet Propulsion Laboratory i Californien, allerede en ansøgning i tankerne om stablet og twisted grafen. Hun arbejder på partikeldetektorer til rummissioner, hvoraf mange bruger superledere. De kunne gøres mindre og lettere – en afgørende fordel i rumflugt – hvis de var lavet af flerlags grafen, siger hun.