Το γραφένιο τριών στρωμάτων παρουσιάζει σημάδια υπεραγωγιμότητας

Πέρυσι, οι φυσικοί ανέφεραν ότι, όταν ψύχονται στους 1,7°C πάνω από το απόλυτο μηδέν (–273°C), φύλλα ατόμων άνθρακα πάχους δύο στρωμάτων μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση, επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να περνούν μέσα από το υλικό χωρίς να χάνουν ενέργεια. Τα διπλά φύλλα άνθρακα, γνωστά ως διπλοστιβάδα γραφένιο, έχουν γοητεύσει τους ερευνητές επειδή η δομική τους απλότητα πρόσφερε μια πλατφόρμα για να εξερευνήσετε τη σύνθετη φυσική της υπεραγωγιμότητας, η οποία εμφανίζεται επίσης σε υλικά οξειδίου του χαλκού σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες. Τώρα, οι ερευνητές ανακάλυψαν σημάδια υπεραγωγιμότητας σε εύκολα κατασκευασμένα φύλλα τριών στρωμάτων γραφενίου, ανανεώνοντας την ελπίδα ότι το πολυστρωματικό γραφένιο θα βοηθήσει σύντομα τους ερευνητές να κατανοήσουν πώς εμφανίζεται η υπεραγωγιμότητα στα οξείδια του χαλκού. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε υψηλότερης θερμοκρασίας υπεραγωγούς —ή ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου— που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε τεράστια εξοικονόμηση ενέργειας σε ηλεκτρικά δίκτυα και συσκευές.

«Είναι σίγουρα μια συναρπαστική εξέλιξη», λέει ο Cory Dean, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Columbia. Ο Dean σημειώνει ότι το διπλό στρώμα γραφενίου υπεραγωγεί μόνο όταν τα ατομικά πλέγματα των δύο στρωμάτων γραφενίου συστρέφονται το ένα ως προς το άλλο με μια "μαγική" γωνία 1,1°—ένας δύσκολος ελιγμός για να γίνει στο λεπτότερο γνωστό υλικό. «Αν φύγεις λίγο, δεν λειτουργεί», λέει ο Ντιν. Το τριστρωματικό γραφένιο, αντίθετα, δεν χρειάζεται να συστραφεί. Αντίθετα, το ατομικό πλέγμα κάθε στρώματος ευθυγραμμίζεται με το πάνω και το κάτω, κάτι που συμβαίνει φυσικά όταν παράγεται πολυστρωματικό γραφένιο.

Ο David Goldhaber-Gordon, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ στο Πάλο Άλτο της Καλιφόρνια, και ο Φενγκ Γουάνγκ, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, και οι συνάδελφοί τους ακολούθησαν μια τυποποιημένη πλέον προσέγγιση για την απομόνωση νιφάδων γραφενίου. Ξεκινά κολλώντας ένα κομμάτι κολλητικής ταινίας σε ένα χύμα κομμάτι γραφίτη -το «μόλυβδο» στα περισσότερα μολύβια- και ξεκολλώντας το. Η επανάληψη της διαδικασίας αφήνει νιφάδες γραφενίου να κολλάνε στην ταινία, μερικές μόνο με ένα μόνο φύλλο πάχους, αλλά άλλες με δύο και τρεις στρώσεις. Η ομάδα του Γουάνγκ πρωτοστάτησε στο παρελθόν σε μια τεχνική για τον εντοπισμό μοναδικών οπτικών υπογραφών σε γραφένιο τριών στρωμάτων.

Στη συνέχεια, η ομάδα χρησιμοποίησε αυτές τις νιφάδες τριών στρωμάτων ως πρώτη ύλη για την κατασκευή ηλεκτρικών συσκευών. Έβαλαν νιφάδες τριών στρωμάτων ανάμεσα σε στρώματα νιτριδίου του βορίου, το οποίο απομονώνει το γραφένιο από ρύπους και το εμποδίζει να λυγίσει. Σε ορισμένα σημεία, τα άτομα στα στρώματα νιτριδίου του βορίου ευθυγραμμίζονται ακριβώς με τα άτομα άνθρακα στα στρώματα γραφενίου, αλλά λίγα νανόμετρα μακριά είναι μετατοπισμένα. Μετά από περίπου 10 νανόμετρα, τα άτομα στα στρώματα ευθυγραμμίζονται για άλλη μια φορά, δημιουργώντας ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο "μουαρέ" που είναι επίσης εμφανές στο στριμμένο γραφένιο διπλής στιβάδας. Κάθε επαναλαμβανόμενο κύτταρο moiré μπορεί να κρατήσει έως και τέσσερα επιπλέον ηλεκτρόνια, επιπλέον αυτών στο υλικό, αλλάζοντας την αγωγιμότητα του υλικού.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές σχεδίασαν μέταλλα πάνω από τις νιφάδες, κατασκευάζοντας τρανζίστορ με «πύλες» που ελέγχουν την προσθήκη ηλεκτρονίων στο υλικό. Με το χειρισμό του ηλεκτρικού πεδίου στις πύλες τους, οι ερευνητές μπόρεσαν να ελέγξουν πόσα ακριβώς ηλεκτρόνια υπήρχαν σε κάθε επαναλαμβανόμενο κύτταρο moiré. Όταν πρόσθεσαν τρία ηλεκτρόνια σε κάθε κύτταρο και έριξαν τη θερμοκρασία κάτω από 2 Kelvin, παρατήρησαν μια απότομη πτώση της ηλεκτρικής αντίστασης, σημάδι υπεραγωγιμότητας, την οποία αναφέρουν σήμερα στο Nature . Παρατήρησαν επίσης ότι όταν εφάρμοσαν ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο στο δείγμα τους, η σχεδόν μηδενική ηλεκτρική αντίσταση εξαφανίστηκε, ένα άλλο σημάδι υπεραγωγιμότητας. "Όλα αυτά τα πράγματα ελέγχουν τα πλαίσια [της υπεραγωγιμότητας]", λέει η Goldhaber-Gordon. Αλλά προσθέτει ότι τα σήματα δεν είναι ακόμη οριστικά. Για το ένα, η ηλεκτρική αντίσταση δεν πέφτει εντελώς στο μηδέν, κάτι που απαιτείται για έναν υπεραγωγό. Ωστόσο, επισημαίνει, αυτό μπορεί να οφείλεται σε ακαθαρσίες στις νιφάδες γραφενίου. "Μπορεί να μην είναι υπεραγώγιμο παντού μέσα στη συσκευή", λέει.

Ωστόσο, η Goldhaber-Gordon σημειώνει ότι η φαινομενική υπεραγωγιμότητα από τα τρία επιπλέον ηλεκτρόνια είναι παρόμοια με αυτή που παρατηρείται στους συμβατικούς υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας, τα υλικά με βάση τον χαλκό που ανακαλύφθηκαν το 1986. Για τον Dean, αυτό δημιουργεί ελπίδες ότι το γραφένιο τριών στιβάδων θα είναι ένα καλό μοντέλο συστήματος για την επίλυση αυτού του μακροχρόνιου μυστηρίου. Το τριστιβαδικό γραφένιο, λέει, «είναι ένα τόσο καθαρό σύστημα που παρέχει έναν απλό τρόπο εξερεύνησης πολύπλοκης φυσικής».