الموصلية الفائقة للطبقة الجرافين غريبة بشكل مدهش

لماذا لا توفر أوراق الكربون الرقيقة الباردة أي مقاومة لتيارات الكهرباء؟ تجربتنا تجرباننا أقرب إلى إجابة-وربما حتى إلى موصلات درجات حرارة الغرفة العملية.

أذهل كين تشونغ فونغ في جامعة نورث إيسترن في ماساتشوستس عندما أخبره فيزياء آخر ، أبيشيك بانيرجي بجامعة هارفارد ، رقمًا على العشاء. كانوا يدرسون جوانب مختلفة من الجرافين – أوراق من الكربون ذرة واحدة فقط سميكة – ولكن كلاهما قدم نفس التقدير حول مدى صعوبة ذلك بالنسبة للتيار الكهربائي الذي يتدفق عبر الجرافين للتغير فجأة.

أظهرت التجارب السابقة أن المداخن الباردة جدًا من طبقتين أو ثلاث طبقات من الجرافين يمكن أن تتوافق بشكل فائق ، أو إجراء الكهرباء بشكل مثالي دون مقاومة وفقدان الطاقة ، إذا تم تدوير بعض الأوراق بزاوية خاصة. ولكن لماذا يحدث هذا ظل غامضا. اعتقد الفيزيائيان أن الممتلكات التي قدّرها في العشاء ، والتي تسمى الحث الحركي ، قد تضيء الجواب.

“كان الشعور عندما تكون في المشي لمسافات طويلة الخشب [through] يقول فونغ: “إن الغابة ، وفجأة تجد ، حسنًا ، انتظر دقيقة ، أنا لست الشخص الوحيد في هذه الغابة العميقة”.

جنبا إلى جنب مع زملاء آخرين ، حولوا فكرتهم إلى تجربتين. قامت مجموعة واحدة بقياس الحث الحركي لطبقتين من الجرافين المكدّد والمواد. ركزت مجموعة ثانية على ثلاث طبقات.

يقول جويل وانغ من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، الذي كان في المجموعة التي عملت على الجرافين من طائقين ، أن قياس الحث الحركي كان من الصعب على نحو محظور. نظرًا لأنه لا يمكن إنتاج الجرافين متعدد الطبقات إلا في قطع صغيرة جدًا ، فإن التقنيات القياسية لقياس التيارات الفائقة – مثل تعريضها للجسيمات أو الحقول المغناطيسية – تنتج إشارات ضعيفة بشكل مفرط. بدلاً من ذلك ، كان على كلا الفريقين ابتكار إعداد حيث تعرضت رقائق الجرافين الصغيرة للمآخات الميكرودية بينما تباين الباحثون ببطء مثل درجة الحرارة ، والتي يجب أن تظل منخفضة للغاية حتى تحدث الموصلية الفائقة على الإطلاق.

نحن نعلم أن الموصلات الفائقة من الجرافين متعددة الطبقات لأن الإلكترونات الموجودة داخلها تتراجع ، وتدفق هذه الأزواج في التيارات بسهولة أكبر من الجزيئات الفردية. لكن الإلكترونات عادة ما تصد بعضها البعض. كيف تجمع الجسيمات بالضبط وما هي الخصائص التي لا تتمتع بها هذه الأزواج.

“النظرية [running] يقول ميوكو تاناكا من جامعة طوكيو ، الذي كان أيضًا في المجموعة ثنائية الطبقات: “وراء التجارب هنا”.

بالنسبة لطبقتين من الجرافين ، وجد فريقها أن التيار الفائق التوصيل هو “أكثر صلابة” – وهو يقاوم التغيير أكثر مما تنبأ به أي نظرية تقليدية للموصلية الفائقة. تتبعوا هذا الشذوذ مرة أخرى إلى شيء يسمى هندسة الكم. على وجه التحديد ، يبدو أن شكل الوظائف الموجية للإلكترونات ، والتي تشفر جميع خصائصها وسلوكياتها المحتملة ، تدفع هذا النوع الغريب من الموصلية الفائقة.

في الجرافين الثلاثية ، وجد الباحثون أوجه تشابه مفاجئة بين الحث الحركي لعيناتهم وسلوك عائلة من الموصلات الفائقة المختلفة تمامًا – تلك التي تحافظ على خصائصها الخاصة في درجات حرارة أعلى بكثير.

لهذا السبب ، يقول كل من Banerjee و Tanaka إن هذه التجارب قد تفعل أكثر من إلقاء الضوء على سبب موصلات الجرافين الفائقة-يمكنهم أيضًا الكشف عن الخصائص الرئيسية المطلوبة للموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة. يبحث الفيزيائيون عن مثل هذه المواد لعقود على أمل أن يستخدم استخدامها بشكل جذري من استهلاك الطاقة للعديد من الأجهزة.

“نحن نجد قوانين مثيرة للاهتمام يبدو أنها تظهر في كلا النظامين الماديين. يقول بانيرجي: “ربما ما نكشفه هو شيء أعمق”. يخطط كلا الفريقين لإجراء تجارب مماثلة مع موصلات فائقة رقيقة للغاية.

يقول زيو هاو ، الذي كان في الفريق الذي كان يبحث عن الجرافين ثلاثية الطبقات: “في الآونة الأخيرة ، كان هناك الكثير من الموصلات الفائقة ثنائية الأبعاد المثيرة للاهتمام والمدهشة والغريبة”. على سبيل المثال ، في وقت سابق من هذا الشهر ، نشر فريق مختلف بحثًا يوضح أن بلورات ثنائية الطبقة من مادة تسمى تنغستن ديسلينيد تظهر الموصلية الفائقة عندما تكون الطبقات ملتوية بالنسبة لبعضها البعض.

في غضون ذلك ، لدى زميل هاو ماري كريدل ، الآن في مختبر الدفعة النفاثة في ناسا في كاليفورنيا ، طلبًا في الاعتبار للجرافين المكدّد والمواد. تعمل على أجهزة الكشف عن الجسيمات لمهام الفضاء ، والتي يستخدم الكثير منها موصلات فائقة. وتقول إنها يمكن أن تكون أصغر وأخف وزناً – ميزة حاسمة في رحلة فضائية – إذا كانت مصنوعة من الجرافين متعدد الطبقات.