I ricercatori della North Carolina State University hanno aumentato significativamente la temperatura alla quale i materiali a base di carbonio agiscono come superconduttori, usando un romanzo, materiale Q-carbon drogato con boro.

Il precedente record di superconduttività nel diamante drogato con boro era di 11 Kelvin, o meno 439,60 gradi Fahrenheit. È stato scoperto che il Q-carbonio drogato con boro è superconduttivo da 37K a 57K, che è meno 356,80 gradi F.

"Passare da 11K a 57K è un grande salto per la superconduttività BCS convenzionale, "dice Jay Narayan, il John C. Fan Distinguished Chair Professor of Materials Science and Engineering presso NC State e autore senior di due articoli che descrivono il lavoro. BCS si riferisce alla teoria della superconduttività di Bardeen-Cooper-Schrieffer.

I normali materiali conduttivi conducono elettricità, ma molta di quell'energia viene persa durante la trasmissione. I superconduttori possono gestire correnti per centimetro quadrato molto più elevate e non perdono praticamente energia attraverso la trasmissione. Però, i superconduttori hanno queste proprietà desiderabili solo a basse temperature. Identificare modi per ottenere la superconduttività a temperature più elevate, senza applicare alta pressione, è un'area attiva della ricerca sui materiali.

Per produrre il Q-carbonio drogato con boro, i ricercatori rivestono un substrato con una miscela di carbonio amorfo e boro. La miscela viene quindi colpita con un singolo impulso laser della durata di pochi nanosecondi. Durante questo impulso, la temperatura del carbonio viene innalzata a 4, 000 Kelvin e poi rapidamente spento.

"Incorporando il boro nel carbonio Q eliminiamo le proprietà ferromagnetiche del materiale e gli diamo proprietà superconduttive, " Narayan dice. "Finora, ogni volta che abbiamo aumentato la quantità di boro, la temperatura alla quale il materiale mantiene le sue proprietà superconduttive è aumentata.

"Questo processo aumenta la densità degli stati portatori vicino al livello di Fermi, " rispetto al diamante drogato con boro, Narayan dice.

"Il progresso dei materiali qui è che questo processo consente una concentrazione di boro in un materiale di carbonio che è molto più alta di quanto sarebbe possibile utilizzando i metodi di equilibrio esistenti, come la deposizione di vapore chimico, " Narayan dice. "Usando metodi di equilibrio, puoi incorporare il boro in Q-carbon solo al 2 percento atomico - due su 100 atomi. Utilizzando il nostro laser-based, processo di non equilibrio, abbiamo raggiunto livelli fino al 27 percento atomico".

Quella maggiore concentrazione di boro è ciò che conferisce al materiale le sue caratteristiche di superconduttività a una temperatura più elevata.

"L'Oak Ridge National Laboratory ha confermato le nostre scoperte su una maggiore densità di stati utilizzando la spettroscopia di perdita di energia degli elettroni, " dice Narayan.

"Abbiamo in programma di ottimizzare il materiale per aumentare la temperatura alla quale è superconduttivo, " Dice Narayan. "Questa svolta nella superconduttività ad alta temperatura del Q-carbonio è scientificamente eccitante con un percorso verso la superconduttività a temperatura ambiente in un romanzo fortemente legato, materiali di massa leggera. La superconduttività in Q-carbon ha un significato speciale per le applicazioni pratiche, poiché è trasparente, superduro e duro, biocompatibile, resistente all'erosione e alla corrosione. Oggi non esiste niente del genere.

"Esistono già sistemi di refrigerazione ad elio a ciclo chiuso progettati per l'uso con superconduttori in grado di raggiungere facilmente temperature fino a 10K, Narayan dice. "Q-carbonio drogato con B può gestire fino a 43 milioni di ampere per centimetro quadrato a 21K in presenza di un campo magnetico di due Tesla. Poiché abbiamo dimostrato la superconduttività a 57K, questo significa che il Q-carbon drogato è già praticabile per le applicazioni".

Il documento più recente, "Un nuovo superconduttore a base di carbonio ad alta temperatura:Q-carbonio drogato con B, " è pubblicato nel Rivista di fisica applicata . Un precedente documento, "Superconduttività ad alta temperatura in Q-Carbon drogato con boro, " è pubblicato sulla rivista ACS Nano .