Onderzoekers hebben een manier gevonden om de aangeboren, maar eerder verborgen, vermogen van grafeen om als supergeleider te werken - wat betekent dat het kan worden gemaakt om een ​​elektrische stroom te geleiden zonder weerstand.

de bevinding, gemeld in Natuurcommunicatie , het potentieel van grafeen verder verbetert, dat al algemeen wordt gezien als een materiaal dat een revolutie teweeg kan brengen in industrieën zoals de gezondheidszorg en elektronica. Grafeen is een tweedimensionale laag koolstofatomen en combineert verschillende opmerkelijke eigenschappen; bijvoorbeeld, het is erg sterk, maar ook licht en flexibel, en zeer geleidend.

Sinds de ontdekking in 2004, wetenschappers hebben gespeculeerd dat grafeen ook het vermogen kan hebben om een ​​supergeleider te zijn. Tot nu, supergeleiding in grafeen is alleen bereikt door het te doteren met, of door het te plaatsen, een supergeleidend materiaal - een proces dat enkele van zijn andere eigenschappen in gevaar kan brengen.

Maar in de nieuwe studie onderzoekers van de Universiteit van Cambridge slaagden erin om het slapende potentieel van grafeen tot supergeleiding op zichzelf te activeren. Dit werd bereikt door het te koppelen met een materiaal genaamd praseodymium cerium koperoxide (PCCO).

Supergeleiders worden al in tal van toepassingen gebruikt. Omdat ze grote magnetische velden opwekken, zijn ze een essentieel onderdeel van MRI-scanners en zwevende treinen. Ze kunnen ook worden gebruikt om energie-efficiënte hoogspanningslijnen en apparaten te maken die in staat zijn om energie voor miljoenen jaren op te slaan.

Supergeleidend grafeen opent nog meer mogelijkheden. De onderzoekers suggereren, bijvoorbeeld, dat grafeen nu kan worden gebruikt om nieuwe soorten supergeleidende kwantumapparaten te maken voor high-speed computing. Intrigerend, het kan ook worden gebruikt om het bestaan ​​van een mysterieuze vorm van supergeleiding te bewijzen die bekend staat als "p-golf" supergeleiding, waar academici al meer dan 20 jaar mee worstelen.

Het onderzoek werd geleid door Dr. Angelo Di Bernardo en Dr. Jason Robinson, Fellows aan het St John's College, Universiteit van Cambridge, naast medewerkers Professor Andrea Ferrari, van het Cambridge Graphene Centre; Professor Oded Millo, van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem, en professor Jacob Linder, aan de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Trondheim.

"Het is al lang gepostuleerd dat, onder de juiste voorwaarden, grafeen moet een supergeleidende overgang ondergaan, maar kan niet, Robinson zei. "Het idee van dit experiment was, als we grafeen koppelen aan een supergeleider, kunnen we die intrinsieke supergeleiding aanzetten? De vraag wordt dan hoe weet je dat de supergeleiding die je ziet vanuit het grafeen zelf komt, en niet de onderliggende supergeleider?"

Soortgelijke benaderingen zijn gevolgd in eerdere studies met behulp van op metaal gebaseerde supergeleiders, maar met beperkt succes. "Het plaatsen van grafeen op een metaal kan de eigenschappen drastisch veranderen, dus het gedraagt ​​​​zich technisch niet meer zoals we zouden verwachten, " zei Di Bernardo. "Wat je ziet is niet de intrinsieke supergeleiding van grafeen, maar gewoon die van de onderliggende supergeleider die wordt doorgegeven."

PCCO is een oxide uit een bredere klasse van supergeleidende materialen die "cuprates" worden genoemd. Het heeft ook goed begrepen elektronische eigenschappen, en met behulp van een techniek genaamd scanning en tunneling microscopie, de onderzoekers konden de supergeleiding in PCCO onderscheiden van de supergeleiding die werd waargenomen in grafeen.

Supergeleiding wordt gekenmerkt door de manier waarop de elektronen op elkaar inwerken:binnen een supergeleider vormen elektronen paren, en de spin-uitlijning tussen de elektronen van een paar kan verschillen, afhankelijk van het type - of "symmetrie" - van de betrokken supergeleiding. In PCCO, bijvoorbeeld, de spin-status van de paren is niet goed uitgelijnd (antiparallel), in wat bekend staat als een "d-wave staat".

Daarentegen, toen grafeen werd gekoppeld aan supergeleidende PCCO in het door Cambridge geleide experiment, de resultaten suggereerden dat de elektronenparen in grafeen zich in een p-golftoestand bevonden. "Wat we in het grafeen zagen was, met andere woorden, een heel ander soort supergeleiding dan in PCCO, Robinson zei. "Dit was een heel belangrijke stap omdat het betekende dat we wisten dat de supergeleiding niet van buitenaf kwam en dat de PCCO daarom alleen nodig was om de intrinsieke supergeleiding van grafeen te ontketenen."

Het blijft onduidelijk welk type supergeleiding het team heeft geactiveerd, maar hun resultaten geven sterk aan dat het de ongrijpbare "p-golf" vorm is. Als, de studie zou het voortdurende debat over de vraag of dit mysterieuze type supergeleiding bestaat, kunnen veranderen, en - zo ja - wat het precies is.

1994, onderzoekers in Japan vervaardigden een triplet-supergeleider die mogelijk een p-golfsymmetrie heeft met behulp van een materiaal dat strontiumruthenaat (SRO) wordt genoemd. De p-golfsymmetrie van SRO is nooit volledig geverifieerd, gedeeltelijk gehinderd door het feit dat SRO een volumineus kristal is, wat het een uitdaging maakt om het type apparaten te fabriceren dat nodig is om theoretische voorspellingen te testen.

"Als p-golf supergeleiding inderdaad wordt gecreëerd in grafeen, grafeen kan worden gebruikt als een platform voor het creëren en verkennen van een heel nieuw spectrum van supergeleidende apparaten voor fundamentele en toegepaste onderzoeksgebieden, Robinson zei. "Dergelijke experimenten zouden noodzakelijkerwijs leiden tot nieuwe wetenschap door een beter begrip van p-golf supergeleiding, en hoe het zich gedraagt ​​in verschillende apparaten en instellingen."

Het onderzoek heeft ook nog andere implicaties. Bijvoorbeeld, het suggereert dat grafeen kan worden gebruikt om een ​​transistorachtig apparaat te maken in een supergeleidend circuit, en dat zijn supergeleiding zou kunnen worden opgenomen in moleculaire elektronica. "In principe, gezien de verscheidenheid aan chemische moleculen die aan het oppervlak van grafeen kunnen binden, dit onderzoek kan resulteren in de ontwikkeling van moleculaire elektronische apparaten met nieuwe functionaliteiten op basis van supergeleidend grafeen, ' voegde Di Bernardo eraan toe.