Grafén sa vymkol očakávaniam. V magnetickom poli ukázal správanie, ktoré vedci ešte len musia vysvetliť

Grafit, ktorý nájdeš v obyčajnej ceruzke, vedci skúmajú už celé desaťročia. Napriek tomu ich stále dokáže prekvapiť. Tentoraz sa výskumníkom z Massachusetts Institute of Technology podaril objav, ktorý môže zamiešať karty vo fyzike supravodičov. Zistili totiž, že špeciálna forma grafénu dokáže naraz vytvoriť viacero supravodivých stavov. Ešte väčšie prekvapenie však prišlo vo chvíli, keď na materiál nasadili magnetické pole. Za normálnych okolností totiž magnet supravodivosť zničí. V tomto prípade sa však stal presný opak.

Výsledky výskumu vyšli v prestížnom vedeckom časopise Nature a podľa autorov ukázali úplne novú skupinu supravodivých javov v materiáli, ktorý sa skladá iba z atómov uhlíka.

Odoberaj Vosveteit.sk cez Telegram a prihlás sa k odberu správ

Aby celý objav dával zmysel, treba najprv vysvetliť samotnú supravodivosť. Ide o stav, keď elektrický prúd prejde materiálom bez akéhokoľvek elektrického odporu. Za bežných podmienok sa elektróny počas pohybu neustále zrážajú s atómami, čím vzniká odpor a časť energie sa mení na teplo. Pri supravodivosti sa elektróny spoja do dvojíc, ktoré fyzici nazývajú Cooperove páry. Tie materiálom prejdú bez strát.

Takéto správanie však väčšina materiálov dosiahne iba pri extrémne nízkych teplotách, často len niekoľko desatín stupňa nad absolútnou nulou.

Schodisko z grafénu naviedlo vedcov k niekoľkým nečakaným objavom

Výskumníci tentoraz nepracovali s obyčajným grafitom, ale s jeho veľmi špecifickou štruktúrou. Z grafitu najprv oddelili extrémne tenké vrstvy grafénu, pričom hľadali takzvaný romboedrický grafén. Ten vznikne uložením štyroch alebo piatich vrstiev grafénu tak, že každá ďalšia vrstva sa mierne posunie voči predchádzajúcej. Celá štruktúra potom pripomína malé schodisko.

Súvisí s tým

V magnetickom poli Zeme môžu byť ukryté stopy temnej hmoty. Vedci už našli niekoľko podozrivých signálov

Práve toto usporiadanie už v minulosti prinieslo niekoľko nečakaných objavov. Vedci v ňom zaznamenali napríklad netradičné magnetické vlastnosti či zvláštne správanie elektrónov. Teraz pribudla ďalšia zaujímavosť.

Počas experimentov výskumníci postupne odoberali elektróny z materiálu a zároveň sledovali jeho elektrický odpor. Súčasne na vzorky pôsobili silným magnetickým poľom z rôznych smerov.

Pri určitých koncentráciách elektrónov vznikli až štyri rôzne supravodivé stavy. Tri z nich prežili aj v magnetickom poli s intenzitou približne 9 tesla. Pre predstavu, magnetické pole Zeme dosahuje približne 50 mikrotesla. Vedci teda použili pole približne 180-tisíckrát silnejšie než prirodzené magnetické pole našej planéty. To však nebola najväčšia zvláštnosť, ktorú počas experimentov odhalili.

Pri jednom konkrétnom nastavení materiál nielen odolal magnetickému poľu, ale supravodivosť dokonca zosilnela. Kritická teplota, pri ktorej materiál zostal supravodivý, vzrástla približne z 55 na 90 milikelvinov. Zároveň materiál zvládol aj výrazne vyšší elektrický prúd bez straty supravodivosti.

„Z pohľadu základnej fyziky pôsobí veľmi exoticky, že magnetické pole supravodivosť nezničí, ale ju naopak posilní.“ hovorí profesor Long Ju: „Priniesli sme množstvo experimentálnych výsledkov, ktoré môžu ostatným vedcom pomôcť pochopiť, čo sa tu vlastne deje.“

Vedci zatiaľ presný mechanizmus nepoznajú. Predložili však jednu zaujímavú hypotézu.

Spin elektrónov mohol spôsobiť prežitie a zosilnenie supravodivosti

Pri klasických supravodičoch vytvoria Cooperove páry elektróny s opačnými spinmi. Spin si môžeš predstaviť ako vlastnosť elektrónu podobnú smeru otáčania. Magnetické pole tieto opačné spiny roztrhne a dvojica sa rozpadne, pričom supravodivosť tým zanikne.

Výskumníci predpokladajú, že v romboedrickom graféne vzniknú dvojice elektrónov s rovnakým spinom. Magnetické pole potom na oba elektróny pôsobí rovnakým smerom, takže ich nerozdelí, čo môže byť dôvod, prečo dokáže supravodivosť prežiť alebo sa dokonca posilniť. Táto myšlienka však zatiaľ čaká na ďalšie experimenty aj teoretické potvrdenie.

Grafén pritom patrí medzi najzaujímavejšie materiály súčasnosti. Objavili ho až v roku 2004 a tvorí ho jediná vrstva atómov uhlíka. Napriek minimálnej hrúbke dosahuje mimoriadnu pevnosť, výbornú elektrickú vodivosť aj vysokú tepelnú vodivosť. Vedci preto skúmajú jeho využitie v elektronike, batériách, senzoroch aj kvantových počítačoch.

Práve kvantové technológie môžu z nového objavu profitovať najviac. Supravodiče totiž zohrávajú dôležitú úlohu pri výrobe qubitov, teda základných stavebných prvkov kvantových počítačov. Ak by sa podarilo lepšie pochopiť supravodivosť odolnú voči magnetickému poľu, otvorili by sa nové možnosti pri návrhu stabilnejších kvantových zariadení.

„Dokázali sme ovládať jeden z najjednoduchších materiálov na svete, kryštalický uhlík a vytvorili sme vlastnosti, ktoré sa v prírode bežne nevyskytujú, hoci vznikli v tom istom materiáli,“ vysvetlil hlavný autor štúdie Junseok Seo.

Výskum tak opäť ukázal, že aj obyčajný uhlík môže ukrývať vlastnosti, ktoré sa ešte pred pár rokmi brali ako vedecká zaujímavosť, než ako niečo, čo sa dá reálne namerať v laboratóriu.