Нещодавнє новаторське дослідження показало унікальні властивості матеріалу графену для довгострокової можливості нарешті розробити економічні та практичні у використанні надпровідники.
A надпровідник це матеріал, який може проводити (передати) електрика без опору. Цей опір визначається як деяка втрата енергія що відбувається під час процесу. Таким чином, будь-який матеріал стає надпровідним, коли він здатний проводити електрику, у цьому конкретномутемпература' або умови без виділення тепла, звуку чи будь-якої іншої форми енергії. Надпровідники мають 100-відсоткову ефективність, але більшість матеріалів вимагають надзвичайно низького рівня енергія стані, щоб стати надпровідними, що означає, що вони мають бути дуже холодними. Більшість надпровідників потрібно охолоджувати рідким гелієм до дуже низької температури приблизно -270 градусів Цельсія. Таким чином, будь-яке надпровідне застосування зазвичай поєднується з якимось активним або пасивним кріогенним/низькотемпературним охолодженням. Ця процедура охолодження сама по собі вимагає надмірної кількості енергії, а рідкий гелій не тільки дуже дорогий, але й невідновлюваний. Таким чином, більшість звичайних або «низькотемпературних» надпровідників неефективні, мають свої обмеження, є неекономічними, дорогими та непрактичними для широкомасштабного використання.
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.
Це повертає нас до всіх розмов про високотемпературні надпровідники, і хоча цю систему все ще потрібно було охолодити до 1.7 градусів за Цельсієм, виробництво та використання графену для великих проектів тепер виглядає досяжним, досліджуючи його нетрадиційну надпровідність. На відміну від звичайних надпровідників, активність графену не можна пояснити загальноприйнятою теорією надпровідності. Така нетрадиційна активність була помічена в складних оксидах міді, які називаються купратами, які, як відомо, проводять електрику при температурі до 133 градусів за Цельсієм, і були в центрі досліджень протягом кількох десятиліть. Хоча, на відміну від цих купратів, складена система графену досить проста, і матеріал також краще зрозумілий. Тільки зараз графен був відкритий як чистий надпровідник, але сам по собі матеріал має багато видатних можливостей, про які було відомо раніше. Ця робота прокладає шлях до посилення ролі графену та розробки високотемпературних надпровідників, які є безпечними для навколишнього середовища. енергія ефективний і, що найважливіше, працює при кімнатній температурі, усуваючи потребу в дорогому охолодженні. Це могло б революціонізувати передачу енергії, дослідження магнітів, медичних пристроїв, особливо сканерів, і могло б дійсно змінити спосіб передачі енергії в наших будинках і офісах.
***
{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
