Нещодавнє новаторське дослідження показало унікальні властивості матеріалу графену для довгострокової можливості нарешті розробити економічні та практичні у використанні надпровідники.
A надпровідник is a material which can conduct (transmit) електрика without resistance. This resistance is defined as some loss of енергія which occurs during the process. So, any material becomes superconductive when it is able to conduct electricity, at that particular ‘температура’ or condition, without release of heat, sound or any other form of energy. Superconductors are 100 percent efficient but most materials require to be in an extremely low енергія state in order to become superconductive, which means that they have to be very cold. Most superconductors need to be cooled with liquid helium to very low temperature of about -270 degrees Celsius. Thus any superconducting application is generally coupled with some sort of active or passive cryogenic/low temperature cooling. This cooling procedure requires an excessive amount of energy in itself and liquid helium is not only very expensive but also non-renewable. Therefore, most conventional or “low temperature” superconductors are inefficient, have their limits, are uneconomical, expensive and impractical for large scale use.
Високотемпературні надпровідники
У середині 1980-х років галузь надпровідників зробила значний стрибок, коли було відкрито з'єднання оксиду міді, яке могло бути надпровідним при -238 градусах Цельсія. Це все ще холодно, але набагато тепліше, ніж температури рідкого гелію. Це був відомий як перший коли-небудь відкритий «високотемпературний надпровідник» (HTC), який отримав Нобелівську премію, хоча він «високий» лише у більшому відносному значенні. Тому вченим спало на думку, що вони могли б зосередитися на тому, щоб врешті-решт знайти надпровідники, які працюють, скажімо, з рідким азотом (-196°C), маючи плюс, що він доступний у великій кількості, а також дешевий. Високотемпературні надпровідники також знаходять застосування, де потрібні дуже високі магнітні поля. Їх низькотемпературні аналоги перестають працювати на рівні близько 23 тесла (тесла - це одиниця напруженості магнітного поля), тому їх не можна використовувати для створення більш сильних магнітів. Але високотемпературні надпровідні матеріали можуть працювати в більш ніж вдвічі більшому полі, і, ймовірно, навіть вище. Оскільки надпровідники створюють великі магнітні поля, вони є важливим компонентом сканерів і левітуючих потягів. Наприклад, сьогодні МРТ (магнітно-резонансна томографія) – це техніка, яка використовує цю якість для перегляду та вивчення матеріалів, хвороб і складних молекул в організмі. Інші застосування включають зберігання електроенергії в масштабі мережі за допомогою енергоефективних ліній електропередач (наприклад, надпровідні кабелі можуть забезпечити в 10 разів більше енергії, ніж медні дроти того ж розміру), вітряні генератори, а також суперкомп'ютери. Пристрої, які здатні зберігати енергію протягом мільйонів років можна створити за допомогою надпровідників.
Сучасні високотемпературні надпровідники мають свої обмеження та проблеми. Крім того, що вони дуже дорогі через потребу в пристрої охолодження, ці надпровідники виготовлені з крихких матеріалів, їх нелегко піддавати формуванню, тому їх не можна використовувати для виготовлення електричних проводів. Матеріал також може бути хімічно нестабільним у певних середовищах і надзвичайно чутливим до домішок з атмосфери та води, тому його, як правило, потрібно закрити. Тоді існує лише максимальний струм, який можуть переносити надпровідні матеріали, і вище критичної щільності струму надпровідність порушується, обмежуючи струм. Величезні витрати та непрактичність заважають використанню хороших надпровідників, особливо в країнах, що розвиваються. Інженери, у їхній уяві, дійсно хотіли б мати м’який, пластичний, феромагнітний надпровідник, непроникний для домішок або прикладеного струму та магнітних полів. Забагато просити!
Це міг бути графен!
Головним критерієм успішного надпровідника є знаходження високої температури надпровіднийr, ідеальний сценарій – кімнатна температура. Однак нові матеріали все ще обмежені і їх дуже складно зробити. У цій галузі все ще постійно вивчається точна методологія, яку використовують ці високотемпературні надпровідники, і як вчені можуть прийти до нової практичної конструкції. Одним із складних аспектів високотемпературних надпровідників є те, що дуже погано зрозуміло, що насправді допомагає електронам у матеріалі з’єднуватися. У недавньому дослідженні вперше було показано, що матеріал графен має власну надпровідну якість, і ми дійсно можемо зробити графеновий надпровідник у власному природному стані матеріалу. Графен, матеріал виключно на основі вуглецю, був відкритий лише в 2004 році і є найтоншим відомим матеріалом. Він також легкий і гнучкий, кожен лист складається з атомів вуглецю, розташованих гексагонально. Вважається, що він міцніший за сталь і має набагато кращу електропровідність порівняно з міддю. Таким чином, це багатовимірний матеріал з усіма цими перспективними властивостями.
Фізики з Массачусетського технологічного інституту та Гарвардського університету, США, чия робота опублікована в двох статтях1,2 in природа, повідомили, що вони можуть налаштувати матеріал графен так, щоб він демонстрував дві екстремальні електричні поведінки – як ізолятор, в якому він не пропускає жодного струму, і як надпровідник, в якому він дозволяє струму проходити без будь-якого опору. Була створена «суперрешітка» з двох листів графену, складених разом, злегка повернутих під «магічним кутом» 1.1 градуса. Це особливе розміщення гексагонального стільникового візерунка було зроблено так, щоб потенційно викликати «сильно корельовані взаємодії» між електронами в графенових листах. І це сталося тому, що графен міг проводити електрику з нульовим опором під цим «магічним кутом», тоді як будь-яке інше упорядкування тримало графен як відмінне, і не було взаємодії з сусідніми шарами. Вони показали спосіб змусити графен прийняти внутрішню якість супер поведінки сам по собі. Це дуже актуально, тому що та сама група раніше синтезувала графенові надпровідники, поміщаючи графен у контакт з іншими надпровідними металами, що дозволило йому успадкувати деякі надпровідні властивості, але цього не вдалося досягти за допомогою одного лише графена. Це новаторська доповідь, оскільки провідні здібності графену були відомі деякий час, але це вперше в історії, коли надпровідність графену була досягнута без зміни або додавання до нього інших матеріалів. Таким чином, графен можна використовувати для створення транзистора. Пристрій у надпровідному ланцюзі і надпровідність, виражена графеном, можуть бути включені в молекулярні електронні пристрої з новими функціональними можливостями.
This brings us back to all the talk on high-temperature superconductors and though this system still needed to be cooled to 1.7 degrees Celsius, producing and using graphene for large projects looks achievable now by investigating its unconventional superconductivity. Unlike conventional superconductors graphene’s activity cannot be explained by the mainstream theory of superconductivity. Such unconventional activity has been seen in complex copper oxides called cuprates, known to conduct electricity at up to 133 degrees Celsius, and has been the focus of research for multiple decades. Though, unlike these cuprates, a stacked graphene system is quite simple and the material is also understood better. Only now graphene has been discovered as a pure superconductor, but the material in itself has many outstanding capabilities which are previously known. This work paves way for a stronger role of graphene and development of high-temperature superconductors that are environment-friendly and more енергія efficient and most importantlyfunction at room temperature eliminating the need for expensive cooling. This could revolutionize energy transmission, research magnets, medical devices especially scanners and could really overhaul how energy is transmitted in our homes and offices.
***
{Ви можете прочитати оригінальну дослідницьку роботу, натиснувши посилання DOI, наведене нижче в списку цитованих джерел(ів)}
Джерела
1. Yuan C та ін. 2018. Корельована поведінка ізолятора при напівзаповненні в надгратках графену з магічним кутом. природа. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C та ін. 2018. Нетрадиційна надпровідність у надгратках графену з магічним кутом. природа. https://doi.org/10.1038/nature26160
