Wetenschappers van Rice University hebben vastgesteld dat tweedimensionaal boor een natuurlijke supergeleider bij lage temperatuur is. In feite, het is misschien het enige 2D-materiaal met zo'n potentieel.

Rijsttheoretisch fysicus Boris Yakobson en zijn collega's publiceerden hun berekeningen die aantonen dat atomair vlak boor metallisch is en elektronen zonder weerstand zal overbrengen. Het werk verschijnt deze maand in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

de trekhaak, zoals bij de meeste supergeleidende materialen, is dat het zijn soortelijke weerstand alleen verliest als het erg koud is, in dit geval tussen 10 en 20 kelvin (ruwweg min-430 graden Fahrenheit). Maar voor het maken van zeer kleine supergeleidende circuits, het is misschien het enige spel in de stad.

Het basisfenomeen van supergeleiding is al meer dan 100 jaar bekend, zei Jevgeni Penev, een onderzoeker in de Yakobson-groep, maar was niet getest op zijn aanwezigheid in atomair vlak boor.

"Het is bekend dat het materiaal vrij licht is omdat de atoommassa klein is, ' zei Penev. 'Als het ook van metaal is, dit zijn twee belangrijke voorwaarden voor supergeleiding. Dat betekent bij lage temperaturen, elektronen kunnen paren in een soort dans in het kristal."

"Lagere dimensionaliteit is ook nuttig, " zei Yakobson. "Het is misschien de enige, of een van de weinige, tweedimensionale metalen. Er zijn dus drie factoren die de aanvankelijke motivatie voor ons gaven om het onderzoek voort te zetten. Toen werden we alleen maar enthousiaster naarmate we erin kwamen."

Elektronen met tegengestelde impulsen en spins worden in feite Cooper-paren; ze trekken elkaar bij lage temperaturen aan met behulp van roostertrillingen, de zogenaamde "fonons, " en het materiaal zijn supergeleidende eigenschappen geven, zei Penev. "Supergeleiding wordt een manifestatie van de macroscopische golffunctie die het hele monster beschrijft. Het is een verbazingwekkend fenomeen, " hij zei.

Het was niet geheel toevallig dat het eerste theoretische document dat geleidbaarheid in een 2D-materiaal vaststelt, verscheen op ongeveer hetzelfde moment dat de eerste monsters van het materiaal werden gemaakt door laboratoria in de Verenigde Staten en China. In feite, een eerdere paper van de Yakobson-groep had hiervoor een routekaart aangeboden.

Dat er nu 2-D borium is geproduceerd is een goede zaak, volgens Yakobson en hoofdauteurs Penev en Alex Kutana, een postdoctoraal onderzoeker bij Rice. "We werken al jaren aan het karakteriseren van borium, van kooiclusters tot nanobuisjes tot schaafbladen, maar het feit dat deze papieren zo dicht bij elkaar leken, betekent dat deze laboratoria nu onze theorieën kunnen testen, ' zei Yakobson.

"In principe, dit werk had drie jaar geleden ook gedaan kunnen worden, ' zei hij. 'Dus waarom hebben we dat niet gedaan? Omdat het materiaal hypothetisch bleef; Oke, theoretisch mogelijk, maar we hadden geen goede reden om het te ver door te drijven.

"Maar afgelopen najaar werd uit professionele bijeenkomsten en interacties duidelijk dat het kan. Nu worden die papers gepubliceerd. Als je denkt dat het echt gaat komen, het volgende niveau van exploratie wordt meer gerechtvaardigd, ' zei Yakobson.

Booratomen kunnen meer dan één patroon maken wanneer ze samenkomen als een 2D-materiaal, een ander kenmerk voorspeld door Yakobson en zijn team dat nu tot wasdom is gekomen. Deze patronen, bekend als polymorfen, kan onderzoekers in staat stellen de geleidbaarheid van het materiaal af te stemmen "gewoon door een selectieve opstelling van de zeshoekige gaten te kiezen, ' zei Penev.

Hij merkte ook op dat de eigenschappen van borium werden gesuggereerd toen onderzoekers meer dan tien jaar geleden ontdekten dat magnesiumdiboriet een hoge-temperatuur elektron-fonon-supergeleider is. "Mensen realiseerden zich lang geleden dat de supergeleiding te wijten is aan de boorlaag, " Zei Penev. "Het magnesium werkt om het materiaal te verdoven door wat elektronen in de boorlaag te morsen. In dit geval, we hebben ze niet nodig omdat het 2D-borium al van metaal is."

Penev suggereerde dat het isoleren van 2-D boor tussen lagen inert hexagonaal boornitride (ook bekend als "wit grafeen") zou kunnen helpen om de supergeleidende aard ervan te stabiliseren.

Zonder de beschikbaarheid van een tijdsblok op verschillende grote supercomputers van de overheid, de studie zou veel langer hebben geduurd, zei Yakobson. "Alex deed het zware werk op het rekenwerk, " zei hij. "Om het van een lunchdiscussie om te zetten in een echt kwantitatief onderzoeksresultaat kostte heel veel moeite."

Het artikel is het eerste van de groep van Yakobson over het onderwerp supergeleiding, hoewel Penev een gepubliceerde auteur over het onderwerp is. "Ik begon in 1993 te werken aan supergeleiding, maar het was altijd een soort hobby, en ik had al 10 jaar niets over dit onderwerp gedaan, ' zei Penev. 'Dus met deze krant is de cirkel rond.'