Ερευνητές ανακάλυψαν ενδείξεις ότι η υπεραγωγιμότητα μπορεί να ελεγχθεί αλλάζοντας το περιβάλλον που περιβάλλει ένα υλικό. Πρόκειται για ένα επίτευγμα που θα μπορούσε τελικά να οδηγήσει σε πιο αποδοτικά ηλεκτρονικά συστήματα και σε ισχυρές κβαντικές τεχνολογίες. Η υπεραγωγιμότητα επιτρέπει σε ορισμένα υλικά να μεταφέρουν ηλεκτρική ενέργεια με μηδενική απώλεια, όταν ψυχθούν κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία.
Παρόλο που οι επιστήμονες μελετούν το φαινόμενο εδώ και δεκαετίες, πολλοί από τους υποκείμενους μηχανισμούς του παραμένουν ελάχιστα κατανοητοί. Η βαθύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο σχηματίζεται η υπεραγωγιμότητα θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να σχεδιάσουν καλύτερα υλικά και να βελτιώσουν τις μελλοντικές ηλεκτρονικές και κβαντικές συσκευές.
Το γραφένιο αποκαλύπτει ασυνήθιστη συμπεριφορά
Στο επίκεντρο της μελέτης, με επικεφαλής την καθηγήτρια φυσικής του Πανεπιστημίου του Οχάιο, Chun Ning (Jeanie) Lau, βρέθηκε ένα ειδικά τροποποιημένο υλικό που αποτελείται από δύο στρώματα άνθρακα τοποθετημένα το ένα πάνω στο άλλο με μια μικρή περιστροφή μεταξύ τους. Η δημιουργία αυτού του πρωτοποριακού υλικού επιτυγχάνεται ουσιαστικά «κουμπώνοντας» δύο φύλλα γραφένιο, με το ένα να έχει υποστεί ελαφριά κλίση ως προς το άλλο (twisted bilayer graphene).
Η ερευνητική ομάδα συνδύασε τη δομή του γραφενίου με τιτανικό στρόντιο, ένα συνθετικό υλικό που μοιάζει με διαμάντι. Αυτή η διάταξη επέτρεψε στους επιστήμονες να παρατηρήσουν και να επηρεάσουν τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούσαν τα ηλεκτρόνια μέσα στο σύστημα.
Οι αλληλεπιδράσεις των ηλεκτρονίων παίζουν καθοριστικό ρόλο στον προσδιορισμό ιδιοτήτων όπως ο μαγνητισμός και ο χημικός δεσμός. Στους υπεραγωγούς, τα ηλεκτρόνια ζευγαρώνουν με έναν ιδιαίτερο τρόπο που επιτρέπει στο ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει χωρίς αντίσταση. Ρυθμίζοντας το περιβάλλον γύρω από το υλικό, η ομάδα διαπίστωσε ότι μπορούσε να ενισχύσει ή να εξασθενήσει αυτές τις αλληλεπιδράσεις, ενεργοποιώντας και απενεργοποιώντας αποτελεσματικά την υπεραγωγιμότητα.
«Τα ηλεκτρόνια κανονικά απωθούν το ένα το άλλο, αλλά στους υπεραγωγούς σχηματίζουν ζεύγη. Αυτός ο σχηματισμός ζευγών είναι το κλειδί για την ικανότητα ενός υπεραγωγού να άγει τον ηλεκτρισμό χωρίς απώλειες», δήλωσε η Lau. «Οι ενδείξεις μας υποδηλώνουν ότι τα ίδια τα ηλεκτρόνια, ανάλογα με την ευαισθησία τους στο άμεσο περιβάλλον τους, είναι απροσδόκητα σημαντικά για τις αλλαγές των υλικών».
Η ανακάλυψη αμφισβητεί την παραδοσιακή θεωρία των υπεραγωγών
Οι ερευνητές εξεπλάγησαν από ένα από τα ευρήματά τους. Καθώς αύξαναν ορισμένες ρυθμίσεις στο εσωτερικό του υλικού, η υπεραγωγιμότητα γινόταν πιο αδύναμη αντί για πιο ισχυρή. Αυτή η συμπεριφορά διαφέρει από εκείνη που παρατηρούν συνήθως οι επιστήμονες στους συμβατικούς υπεραγωγούς, όπου η μείωση των απωστικών δυνάμεων μεταξύ των ηλεκτρονίων συνήθως ενισχύει την υπεραγωγιμότητα.
Αυτό το απροσδόκητο αποτέλεσμα αναδεικνύει το πώς ασυνήθιστα υλικά, όπως τα δύο στρώματα γραφενίου με ελαφριά περιστροφή, μπορούν να συμπεριφερθούν με εντελώς διαφορετικό τρόπο από τους παραδοσιακούς υπεραγωγούς.
«Εάν μπορούσαμε να μεταφέρουμε ηλεκτρική ενέργεια χωρίς απώλειες, αυτό θα ήταν εξαιρετικά σημαντικό για τις τεχνολογίες που χρησιμοποιούμε στην καθημερινότητά μας», δήλωσε η Lau. «Παρά τα θεμελιώδη ερωτήματα που πρέπει ακόμη να απαντηθούν, αυτή η εργασία ουσιαστικά ανοίγει τον δρόμο προς έναν νέο τύπο φυσικού μηχανισμού».
Η ανακάλυψη μπορεί επίσης να βοηθήσει τους ερευνητές να πλησιάσουν σε 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 οροσήμου θα μπορούσε να αναδιαμορφώσει ριζικά τα ηλεκτρονικά, τα συστήματα επικοινωνιών και τις τεχνολογίες μεταφοράς ενέργειας.
Προοπτικές για πιο αποδοτικά ηλεκτρονικά συστήματα
Τα ευρήματα, τα οποία δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nature Physics, υποδηλώνουν μια απλούστερη μέθοδο για τον έλεγχο των συνθηκών που απαιτούνται για τη δημιουργία υπεραγωγιμότητας. Πολλοί υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας αντιμετωπίζουν επί του παρόντος περιορισμούς που μειώνουν την απόδοσή τους.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι ο χειρισμός του περιβάλλοντος χώρου αυτών των υλικών θα μπορούσε να προσφέρει έναν νέο τρόπο για τη βελτίωση των δυνατοτήτων τους και την αύξηση της αποδοτικότητας στα ηλεκτρονικά συστήματα του μέλλον.
Σύμφωνα με τον κύριο συγγραφέα της μελέτης, Xueshi Gao, υποψήφιο διδάκτορα φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο, η ομάδα αναμένει ότι τα αποτελέσματα αυτά θα φανούν χρήσιμα σε πολλά διαφορετικά πειράματα και συστήματα υλικών σε όλο το επιστημονικό πεδίο.
«Ο μηχανισμός της υπεραγωγιμότητας στο σύστημα των δύο περιστραμμένων στρωμάτων γραφενίου που χρησιμοποιήσαμε δεν είναι ακόμα πλήρως κατανοητός», δήλωσε ο Xueshi Gao. «Ωστόσο, το αποτέλεσμά μας μπορεί να ρίξει φως και να βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση αυτής της έννοιας, ώστε να εφαρμοστεί σε μελλοντικές έρευνες».
Οι επιστήμονες προειδοποιούν ότι η εργασία αυτή αντιπροσωπεύει ένα πρώιμο βήμα προς την κατανόηση ενός πολύ ευρύτερου φάσματος πολύπλοκων ηλεκτρονικών αλληλεπιδράσεων. Η μελλοντική έρευνα θα διερευνήσει άλλους τύπους αλληλεπιδράσεων και θα εξετάσει επιπλέον ζητήματα φυσικής που προέκυψαν από τη μελέτη.
«Δείχνουμε δυνατότητες που δεν είχαμε παρουσιάσει ποτέ στο παρελθόν, επομένως πολλοί επιστήμονες στον τομέα μας είναι πραγματικά ενθουσιασμένοι με αυτό το αποτέλεσμα», δήλωσε η Lau.
Στους υπόλοιπους συγγραφείς από το Πανεπιστήμιο του Οχάιο (Ohio State) περιλαμβάνονται οι Aatmaj Rajesh, Emilio Codecido, Daria Sharifi, Zheneng Zhang, Youwei Liu και Marc Bockrath.
Στους συνεργάτες συμμετείχαν επίσης οι Alejandro Jimeno-Pozo, Pierre Pantaleon και Paco Guinea από το ινστιτούτο Imdea Nanoscience στην Ισπανία, μαζί με τους Kenji Watanabe και Takashi Taniguchi από το Εθνικό Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών (NIMS) στην Ιαπωνία.
Οι ερευνητές σχεδιάζουν περαιτέρω πειράματα.
