Οι ερευνητές έχουν αποκαλύψει στοιχεία ότι η υπεραγωγιμότητα μπορεί να ελεγχθεί αλλάζοντας το περιβάλλον γύρω από ένα υλικό, μια σημαντική ανακάλυψη που θα μπορούσε τελικά να οδηγήσει σε πιο αποτελεσματικά ηλεκτρονικά και ισχυρή κβαντική τεχνολογία.
Η υπεραγωγιμότητα επιτρέπει σε ορισμένα υλικά να μεταφέρουν ηλεκτρική ενέργεια με μηδενική απώλεια ενέργειας όταν ψύχονται κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία. Αν και οι επιστήμονες έχουν μελετήσει το φαινόμενο εδώ και δεκαετίες, πολλοί από τους υποκείμενους μηχανισμούς του είναι ελάχιστα κατανοητοί. Η απόκτηση βαθύτερων γνώσεων για το πώς οι μορφές υπεραγωγιμότητας μπορούν να βοηθήσουν τους ερευνητές να σχεδιάσουν καλύτερα υλικά και να βελτιώσουν τις μελλοντικές ηλεκτρονικές και κβαντικές συσκευές.
Το στριμμένο γραφένιο παρουσιάζει ασυνήθιστη συμπεριφορά
Η έρευνα, με επικεφαλής τον καθηγητή φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο, Chun Ning (Jeannie) Lau, επικεντρώθηκε σε ένα ειδικά κατασκευασμένο υλικό γνωστό ως συνεστραμμένο διπλοστοιβαδικό γραφένιο. Το υλικό κατασκευάζεται στοιβάζοντας δύο φύλλα άνθρακα και περιστρέφοντάς τα λίγο το ένα σε σχέση με το άλλο.
Η ερευνητική ομάδα συνδύασε τη δομή του γραφενίου με τιτανικό στρόντιο, ένα συνθετικό υλικό που μοιάζει με διαμάντι. Αυτή η ρύθμιση επιτρέπει στους επιστήμονες να παρατηρούν και να επηρεάζουν πώς αλληλεπιδρούν τα ηλεκτρόνια μέσα στο σύστημα.
Οι αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίων παίζουν σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό ιδιοτήτων όπως ο μαγνητισμός και οι χημικοί δεσμοί. Στους υπεραγωγούς, τα ηλεκτρόνια είναι διατεταγμένα με έναν ειδικό τρόπο που επιτρέπει στον ηλεκτρισμό να ρέει χωρίς αντίσταση. Συντονίζοντας το περιβάλλον γύρω από το υλικό, η ομάδα διαπίστωσε ότι θα μπορούσαν να ενισχύσουν ή να αποδυναμώσουν αυτές τις αλληλεπιδράσεις και να ενεργοποιήσουν και να απενεργοποιήσουν αποτελεσματικά την υπεραγωγιμότητα.
«Τα ηλεκτρόνια συνήθως απωθούν το ένα το άλλο, αλλά στους υπεραγωγούς σχηματίζουν ζεύγη· αυτός ο σχηματισμός ζεύγους είναι το κλειδί για την ικανότητα ενός υπεραγωγού να μεταφέρει ηλεκτρισμό χωρίς διασπορά», είπε ο Lau. «Τα στοιχεία μας δείχνουν ότι τα ηλεκτρόνια, ανάλογα με την ευαισθησία τους στο περιβάλλον τους, είναι απροσδόκητα σημαντικά για την υλική αλλαγή».
Η ανακάλυψη αμφισβητεί την παραδοσιακή θεωρία υπεραγωγών
Οι ερευνητές εξεπλάγησαν από ένα από τα ευρήματά τους. Καθώς αύξησαν τον ειδικό συντονισμό μεταξύ των υλικών, η υπεραγωγιμότητα αποδυναμώθηκε παρά ενισχύθηκε.
Αυτή η συμπεριφορά διαφέρει από αυτό που παρατηρούν συνήθως οι επιστήμονες στους συμβατικούς υπεραγωγούς, όπου η μείωση της απωστικής δύναμης μεταξύ των ηλεκτρονίων συνήθως ενισχύει την υπεραγωγιμότητα. Το απροσδόκητο αποτέλεσμα υπογραμμίζει πώς ασυνήθιστα υλικά όπως το στριμμένο διπλοστοιβαδικό γραφένιο μπορούν να συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά από τους παραδοσιακούς υπεραγωγούς.
“Εάν μπορείτε να μεταδώσετε ηλεκτρική ενέργεια χωρίς απώλεια ενέργειας, θα είναι πολύ σημαντικό για τις τεχνολογίες που χρησιμοποιούμε στην καθημερινή μας ζωή”, είπε ο Lau. «Παρά τα θεμελιώδη ερωτήματα που εξακολουθούν να χρειάζονται απαντήσεις, αυτό το έργο ουσιαστικά παρέχει μια πορεία προς έναν νέο τύπο φυσικής διαδικασίας».
Η ανακάλυψη θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να προσεγγίσουν έναν από τους μεγαλύτερους στόχους του πεδίου: την ανάπτυξη υπεραγωγών που λειτουργούν σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες, ενδεχομένως ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου. Η επίτευξη αυτού του ορόσημου θα μπορούσε να αναδιαμορφώσει δραματικά τα ηλεκτρονικά, τα συστήματα επικοινωνίας και την τεχνολογία μετάδοσης ισχύος.
Δυνατότητα για πιο αποδοτικά ηλεκτρονικά
Αποτελέσματα, δημοσιευμένα Φυσική της ΦύσηςΠροτείνετε μια απλή μέθοδο για τον έλεγχο των συνθηκών που είναι απαραίτητες για την παραγωγή υπεραγωγιμότητας.
Πολλοί υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας αντιμετωπίζουν σήμερα περιορισμούς που μειώνουν την απόδοσή τους. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι ο χειρισμός του περιβάλλοντος γύρω από αυτά τα υλικά θα μπορούσε να προσφέρει έναν νέο τρόπο βελτίωσης των δυνατοτήτων τους και αύξησης της αποτελεσματικότητας στα μελλοντικά ηλεκτρονικά.
Σύμφωνα με τον επικεφαλής συγγραφέα Xueshi Gao, έναν διδακτορικό φοιτητή στη φυσική στην Πολιτεία του Οχάιο, η ομάδα ελπίζει ότι τα αποτελέσματα θα είναι χρήσιμα για μια ποικιλία πειραμάτων και συστημάτων υλικών σε όλο το πεδίο.
«Ο μηχανισμός της υπεραγωγιμότητας στο σύστημα στριμμένης διπλής στιβάδας γραφενίου που χρησιμοποιήσαμε δεν είναι ακόμα καλά κατανοητός», είπε ο Γκάο. “Αλλά τα αποτελέσματά μας μπορούν να ρίξουν φως και να βοηθήσουν τους ανθρώπους να κατανοήσουν καλύτερα την έννοια όταν την εφαρμόζουν σε μελλοντικές εργασίες.”
Οι ερευνητές σχεδιάζουν περαιτέρω πειράματα
Οι επιστήμονες προειδοποιούν ότι η εργασία αντιπροσωπεύει ένα αρχικό βήμα προς την κατανόηση ενός ευρέος φάσματος πολύπλοκων ηλεκτρονικών αλληλεπιδράσεων. Η μελλοντική έρευνα θα διερευνήσει άλλους τύπους αλληλεπίδρασης και θα διερευνήσει πρόσθετα ζητήματα φυσικής που τέθηκαν από τη μελέτη.
“Δείχνουμε ικανότητες που δεν έχουμε δείξει πριν, πολλοί άνθρωποι στον τομέα ενθουσιάζονται πολύ με αυτά τα αποτελέσματα”, είπε ο Lau.
Πρόσθετοι συν-συγγραφείς από την Πολιτεία του Οχάιο περιλαμβάνουν τους Atmaj Rajesh, Emilio Codecido, Daria Sharifi, Zhenong Zhang, Yuwei Liu και Mark Bockrath. Μεταξύ των συνεργατών ήταν οι Alejandro Jimeno-Pozo, Pierre Pantaleon και Paco Gini από την Imdia Nanoscience στην Ισπανία.
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Υπουργείο Ενέργειας και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.
