| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Kroutíme, kroutíme... a ejhle, je tu supravodič
Petr Kulhánek
Objev grafenuGrafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektrotechnice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010. nám přinesl materiál zcela mimořádných vlastností. Je ohebný, takže se z něho dají vyrábět displeje, které stočíte do ruličky, je extrémně pevný, takže ho lze využít na namáhané konstrukční prvky a má silně anizotropní tepelnou vodivost, takže může sloužit jak pro odvod tepla, tak jako tepelná izolace. Aplikace tohoto relativně nového materiálu se jen hrnou (viz AB 26/2009). Nedávno jsme referovali o miniaturním zdroji energie vytvořeném z vlnících se grafenových listů (viz AB 4/2019) a dnes přinášíme další zajímavost, která by mohla vést k důležitým aplikacím – za určitých okolností se grafen stává supravodičemSupravodivost – supravodivost objevil v roce 1911 Kamerlingh-Onnes, který zjistil, že při ochlazení rtuti pod teplotu 4,2 K dochází k prudkému poklesu elektrického odporu až na milióntinu původní hodnoty. Za tento objev obdržel v roce 1913 Nobelovu cenu za fyziku, ale ještě dlouho trvalo, než se podařilo vysvětlit, proč se elektrony v ochlazeném materiálu pohybují bez odporu..
Grafenový list. Zdroj: Spektrum.de.
|
Grafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektrotechnice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010. Supravodivost – supravodivost objevil v roce 1911 Kamerlingh-Onnes, který zjistil, že při ochlazení rtuti pod teplotu 4,2 K dochází k prudkému poklesu elektrického odporu až na milióntinu původní hodnoty. Za tento objev obdržel v roce 1913 Nobelovu cenu za fyziku, ale ještě dlouho trvalo, než se podařilo vysvětlit, proč se elektrony v ochlazeném materiálu pohybují bez odporu. BCS teorie – na konci 50. let 20. století vytvořili John Bardeen, Leon Cooper a John Robert Schrieffer teorii supravodivosti založenou na myšlence párování elektronů s opačným spinem a směrem pohybu. Tyto páry elektronů (tzv. Cooperovy páry) se chovají jako bosony a mohou za nízké teploty sdílet přesně stejnou deformaci v krystalické mřížce (fonon). Díky tomu se chovají jako koherentní makroskopická kapalina. Při energiích vyšších než prahová energie je tento koherentní stav narušen teplotními excitacemi o energii kT. Za tuto teorii obdrželi v roce 1972 Nobelovu cenu za fyziku. Vysokoteplotní supravodivost – supravodivost keramických materiálů za teplot vyšších než 30 K. Nový typ supravodivosti objevili Karl Allex Müller a Johannes George Bednorz v roce 1986. Poté následoval objev supravodičů za teplot vyšších, než je teplota zkapalnění dusíku (77 K). Nejvyšší dosažená teplota stabilního supravodiče je 160 K. Většinou jde o různé oxidy mědi kombinované se vzácnými kovy. Za párování elektronů jsou pravděpodobně zodpovědné magnetické spinové excitace, které se chovají jako výrazně anizotropní rovinné kvazičástice lokalizované v Cu-O rovinách. Karl Müller a Johannes Bednorz za objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1987. |
Otáčení grafenových listů
Dvě vrstvy grafenu vzájemně pootočené o malý úhel. Zdroj: MIT/P. Jarillo-Herrero.
Každá grafenováGrafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektrotechnice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010. vrstva je tvořena sítí šestiúhelníků, v jejichž vrcholech jsou atomy uhlíkuUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších.. Tyto atomy jsou velmi silně vázány v rámci jedné vrstvy grafenu, vazba mezi sousedními vrstvami je výrazně slabší, což umožňuje snadno na sebe umisťovat jednotlivé vrstvy (někdy se také říká listy) grafenu. Elektrony pohybující se v takové šesterečné mříži mají nezvyklé vlastnosti. Skupina vědců z americké MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO. zkoumala pod vedením Pabla Jarillo-Herrera vlastnosti dvou vzájemně pootočených listů grafenu. Při velmi malých úhlech (kolem jednoho úhlového stupně) se objevují typické periodické obrazce, tzv. moaré. Jsou dobře patrné na předchozím obrázku, kde je celkový rozměr struktury kolem deseti nanometrů. Moaré vytváří periodickou krajinu, kterou mohou elektrony cestovat, a jejich pohyb lze snadno ovládat přímo na atomární úrovni natočením dvou sousedních vrstev vůči sobě. Elektrony jsou na změnu obrazce moaré mimořádně citliví.
Doktor Jarillo-Herrero se svou skupinou zjistil, že při úhlu natočení dvou sousedních vrstev přibližně o 1,1° vykazuje supravodivéSupravodivost – supravodivost objevil v roce 1911 Kamerlingh-Onnes, který zjistil, že při ochlazení rtuti pod teplotu 4,2 K dochází k prudkému poklesu elektrického odporu až na milióntinu původní hodnoty. Za tento objev obdržel v roce 1913 Nobelovu cenu za fyziku, ale ještě dlouho trvalo, než se podařilo vysvětlit, proč se elektrony v ochlazeném materiálu pohybují bez odporu. vlastnosti, tj. odpor kladený pohybu elektronů klesá k nule. Supravodivé vlastnosti extrémně závisí na úhlu natočení vrstev. Při úhlu 1,16° se supravodivost objevuje při teplotě desetin kelvinů. Ale při úhlu 1,05°se supravodivost udrží až do 1,7 kelvinu! Je to dobře patrné v horní části následujícího fázového diagramu. Supravodivé oblasti jsou tmavě modré, kovové vlastnosti odpovídají bílé barvě a izolátor (odpor v jednotkách kiloohmů) je označen červeně. Nejde o klasický izolátor, ale o tzv. Mottův izolátorMottův izolátor – skupina nevodivých materiálů, které by podle standardní pásové teorie měly být vodiči. Jev je způsoben párovými interakcemi elektron-elektron, které pásová teorie neuvažuje. Jev se vyskytuje za nízkých teplot například u NiO nebo CoO. Chování těchto látek vysvětlil až t-J model z roku 1977.. Tak jako u každého supravodiče je i zde oblast supravodivosti závislá na přítomném magnetickém poli a při vyšších hodnotách pole supravodivé vlastnosti mizí. Je to dobře patrné v dolní části obrázku. Fázový diagram supravodivých vlastností je podobný jako u vysokoteplotní supravodivosti (zejména blízkostí supravodivé a MottovyMottův izolátor – skupina nevodivých materiálů, které by podle standardní pásové teorie měly být vodiči. Jev je způsoben párovými interakcemi elektron-elektron, které pásová teorie neuvažuje. Jev se vyskytuje za nízkých teplot například u NiO nebo CoO. Chování těchto látek vysvětlil až t-J model z roku 1977. fáze), což dává naději, že by i zde mohlo jít o obdobný mechanizmus. Bohužel jsou důvody vysokoteplotní supravodivosti dosud známy jen v hrubých obrysech. Supravodivost u vysokoteplotních keramik nějak souvisí s pohyby elektronů ve dvou sousedních krystalických vrstvách, což by napovídalo, že skutečně může jít o podobný mechanizmus. Na definitivní soudy je ale ještě příliš brzy.
Fázový diagram dvou pootočených vrstev grafenu. Supravodivá fáze je
označena SC.
Na vodorovné ose je plošná koncentrace elektronů. Zdroj: MIT/P. Jarillo-Herrero.
Skupině doktora Jerillo- Herrera se podařilo připravit velmi exotický supravodič, jehož vlastnosti extrémně závisí na úhlu pootočení dvou sousedních grafenových vrstev a samozřejmě také na elektrickém poli, magnetickém poli a na teplotě. Pokud se prokáže, že mechanizmus objevené supravodivosti je blízký vysokoteplotní supravodivosti (viz AB 36/2004), není vyloučeno, že pro některé parametry půjde vytvořit supravodivý materiál i za podstatně vyšší teploty než dosavadních 1,7 kelvinu. Pokud se tak stane, umožní to zcela nové technologie výroby levných supravodičů a není ani vyloučeno, že jsme se přiblížili snu o stabilním supravodiči za pokojové teploty. Pro elektrniku založenou na pootočených vrstvách se ujalo slovo twistronika.
Video na závěr
Twistronika – vlastnosti dvou pootočených grafenových vrstev.
Zdroj: Quantum Materials Optoelectronics Lab.
Odkazy
- Yuan Cao et al.: Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices; Nature 556, 80–84, Apr 2018
- Yuan Cao et al.: Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices; Nature 556, 43–50, 5 Apr 2018
- Yuan Cao et al.: Magic-angle graphene superlattices: a new platform for unconventional superconductivity; arXiv:1803.02342, 20 May 2018
- David H. Freedman: With a Simple Twist, a Magic Material Is Now the Big Thing in Physics; Quanta Magazine, 30 Apr 2019
- Dexter Johnson: A Twist in Graphene Could Make for Tunable Electronic Devices; IEEE Spectrum, 16 Aug 2018
- Belle Dumé: Magic-angle graphene behaves like a high-temperature superconductor; Physics World, 8 Mar 2018
- Miroslav Havránek: Grafen – materiál, kde elektrony ztrácejí hmotnost; AB 26/2009
- Petr Panchártek: Vlnící se grafénové listy – klíč k čisté energii; AB 4/2019
- Petr Kulhánek: Vysokoteplotní supravodivost; AB 36/2004
- Petr Kulhánek: Horní hranice teploty konvenčních supravodičů výrazně stoupla; AB 32/2015
