Ανακαλύφθηκε ένας νέος τύπος υπεραγωγού που είναι ταυτόχρονα και μαγνήτης

Μαγνήτες και υπεραγωγοί θεωρούνταν μέχρι τώρα ασύμβατοι – όπως το λάδι με το νερό. Όμως, φυσικοί του MIT ανατρέπουν αυτή τη θεμελιώδη παραδοχή με μια νέα ανακάλυψη: έναν «χειρόμορφο υπεραγωγό» που, εκτός από το ότι αγωγεί ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση, παρουσιάζει και εγγενή μαγνητισμό.

Το πιο εντυπωσιακό; Το υλικό αυτό δεν είναι κάποιο εξωτικό κράμα αλλά… γραφίτης, το βασικό συστατικό της μύτης του μολυβιού.

Γραφένιο σε ρομβοεδρική διάταξη

Ο γραφίτης αποτελείται από πολυάριθμες στρώσεις γραφενίου, φύλλα άνθρακα σε ατομικό πάχος που σχηματίζουν ένα πλέγμα. Αν και συνήθως αυτές οι στρώσεις στοιβάζονται με κανονικό τρόπο, περιστασιακά προκύπτουν μικρές περιοχές όπου η διάταξη είναι ρομβοεδρική, δηλαδή μοιάζει με σκάλα από ελαφρώς μετατοπισμένες στρώσεις.

Η ομάδα του MIT διαπίστωσε ότι όταν τέσσερις ή πέντε στρώσεις γραφενίου στοιβάζονται έτσι, αποκτούν εξαιρετικές ηλεκτρονικές ιδιότητες. Απομόνωσαν τέτοιες μικροσκοπικές νιφάδες και τις υπέβαλαν σε πειράματα: όταν ψύχθηκαν στους 300 millikelvins (περίπου -273 °C), μετατράπηκαν σε υπεραγωγούς, δηλαδή επέτρεπαν στο ρεύμα να ρέει χωρίς καμία αντίσταση.

Συμπεριφορά μαγνήτη σε υπεραγωγό

Η μεγαλύτερη έκπληξη ήρθε όταν εφάρμοσαν εξωτερικό μαγνητικό πεδίο: το υλικό μεταβαλλόταν ανάμεσα σε δύο διαφορετικές υπεραγώγιμες καταστάσεις, ακριβώς όπως ένας μαγνήτης που μπορεί να αντιστρέψει την πολικότητά του. Η συμπεριφορά αυτή δεν έχει παρατηρηθεί ξανά σε άλλους υπεραγωγούς.

Όπως εξηγεί ο Long Ju, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής στο MIT:

«Η γενική αντίληψη είναι ότι οι υπεραγωγοί δεν “συμπαθούν” τα μαγνητικά πεδία. Όμως, πιστεύουμε ότι αυτή είναι η πρώτη παρατήρηση υπεραγωγού που συμπεριφέρεται ως μαγνήτης και μάλιστα με τόσο άμεσο και απλό τρόπο. Είναι κάτι παράδοξο και ενάντια στη γενική εντύπωση για τη φύση της υπεραγωγιμότητας και του μαγνητισμού».

Τα ηλεκτρόνια σε χορογραφία

Σε ένα κοινό αγώγιμο υλικό, τα ηλεκτρόνια κινούνται χαοτικά, συγκρούονται με το πλέγμα των ατόμων και χάνουν ενέργεια υπό μορφή θερμότητας. Στους υπεραγωγούς, όμως, τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ζεύγη, γνωστά ως ζεύγη Cooper και κινούνται χωρίς εμπόδια. Αυτό επιτρέπει τη ροή ρεύματος χωρίς απώλειες.

Από το 1911, η απουσία ηλεκτρικής αντίστασης θεωρείται βασικό χαρακτηριστικό της υπεραγωγιμότητας. Το 1933, ο Walther Meissner παρατήρησε ότι οι υπεραγωγοί απωθούν τα μαγνητικά πεδία – το λεγόμενο φαινόμενο Meissner. Αυτό επιτρέπει, π.χ., την ανύψωση μαγνητών πάνω από υπεραγώγιμες ράγες σε τρένα μαγνητικής αιώρησης (maglev).

Αναπάντεχα φαινόμενα

Η ομάδα του MIT μελετά τα τελευταία χρόνια το πενταστρωματικό γραφένιο σε ρομβοεδρική διάταξη, παρατηρώντας εκπληκτικές ιδιότητες. Πρόσφατα διαπίστωσαν ότι τα ηλεκτρόνια σε αυτή τη διάταξη μπορούν να διαχωριστούν σε κλάσματα του εαυτού τους. Όταν τοποθέτησαν το υλικό πάνω σε ένα φύλλο εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου και το μετατόπισαν ελαφρώς υπό συγκεκριμένη γωνία, η υπεραγωγιμότητα εμφανίστηκε ξανά, με μηδενική αντίσταση κάτω από τους 300 mK.

Όταν επανέλαβαν το πείραμα εφαρμόζοντας μαγνητικό πεδίο με μεταβλητή πολικότητα, είδαν κάτι εντελώς απρόσμενο: η αντίσταση αυξήθηκε στιγμιαία δύο φορές – μία για κάθε φορά που η πολικότητα του πεδίου άλλαζε – και μετά επέστρεφε στη μηδενική τιμή.

Ο μεταπτυχιακός φοιτητής Zach Hadjri δήλωσε: «Αν επρόκειτο για έναν συμβατικό υπεραγωγό, η αντίσταση θα παρέμενε μηδενική μέχρι το πεδίο να ξεπεράσει ένα κρίσιμο όριο. Εδώ όμως φαίνεται ότι το υλικό μεταπηδά μεταξύ δύο υπεραγώγιμων καταστάσεων, σαν ένας μαγνήτης που αντιστρέφει τον προσανατολισμό του».

Ένα μοναδικό φαινόμενο

Η ίδια συμπεριφορά παρατηρήθηκε σε έξι διαφορετικά δείγματα. Οι ερευνητές θεωρούν πως το κλειδί είναι η διάταξη του γραφενίου. Όταν ψύχεται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, μειώνονται οι θερμικές διακυμάνσεις και επιτρέπονται ισχυρές κβαντικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων.

Σύμφωνα με τον Tonghang Han: «Μπορείτε να φανταστείτε τα δύο ηλεκτρόνια σε ένα ζεύγος να περιστρέφονται δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα – που αντιστοιχεί σε έναν μαγνήτη που δείχνει προς τα πάνω ή προς τα κάτω. Πιστεύουμε ότι αυτό που βλέπουμε είναι η πρώτη παρατήρηση υπεραγωγού που συμπεριφέρεται ως μαγνήτης, λόγω της τροχιακής κίνησης των ηλεκτρονίων, δηλαδή ενός χειρόμορφου υπεραγωγού».

Το υλικό αυτό, πέρα από το ότι είναι μοναδικό στο είδος του, είναι και υποψήφιο για τοπολογικός υπεραγωγός, με εφαρμογές στην κβαντική υπολογιστική.

Ο Zhengguang Lu δήλωσε: «Όλα όσα έχουμε ανακαλύψει σε αυτό το υλικό ήταν απρόβλεπτα. Όμως, επειδή είναι ένα απλό σύστημα, έχουμε καλές πιθανότητες να κατανοήσουμε βαθιά τη φυσική πίσω από αυτά τα φαινόμενα».

Ο καθηγητής Liang Fu πρόσθεσε: «Είναι πραγματικά αξιοσημείωτο το τι ένας τόσο εξωτικός υπεραγωγός προκύπτει από τόσο απλά συστατικά. Η υπεραγωγιμότητα στο ρομβοεδρικό γραφένιο θα έχει σίγουρα πολλά να προσφέρει».