Gli scienziati della Rice University hanno determinato che il boro bidimensionale è un superconduttore naturale a bassa temperatura. Infatti, potrebbe essere l'unico materiale 2-D con tale potenziale.

Il fisico teorico di Rice Boris Yakobson e i suoi collaboratori hanno pubblicato i loro calcoli che mostrano che il boro atomicamente piatto è metallico e trasmetterà elettroni senza resistenza. Il lavoro appare questo mese sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere .

L'intoppo, come con la maggior parte dei materiali superconduttori, è che perde la sua resistività solo quando è molto freddo, in questo caso tra 10 e 20 kelvin (circa, meno-430 gradi Fahrenheit). Ma per realizzare circuiti superconduttori molto piccoli, potrebbe essere l'unico gioco in città.

Il fenomeno di base della superconduttività è noto da più di 100 anni, disse Evgeni Penev, un ricercatore nel gruppo Yakobson, ma non era stato testato per la sua presenza nel boro atomicamente piatto.

"È risaputo che il materiale è piuttosto leggero perché la massa atomica è piccola, " Penev ha detto. "Se è anche metallico, questi sono due principali prerequisiti per la superconduttività. Ciò significa che a basse temperature, gli elettroni possono accoppiarsi in una sorta di danza nel cristallo."

"Anche la dimensionalità inferiore è utile, " disse Yakobson. "Potrebbe essere l'unico, o uno dei pochissimi, metalli bidimensionali. Quindi ci sono tre fattori che ci hanno dato la motivazione iniziale per proseguire la ricerca. Poi siamo diventati sempre più eccitati quando ci siamo avvicinati".

Gli elettroni con momenti e spin opposti diventano effettivamente coppie di Cooper; si attraggono a basse temperature con l'aiuto di vibrazioni reticolari, i cosiddetti "fononi, " e conferisce al materiale le sue proprietà superconduttive, Penev ha detto. "La superconduttività diventa una manifestazione della funzione d'onda macroscopica che descrive l'intero campione. È un fenomeno sorprendente, " Egli ha detto.

Non è un caso che il primo articolo teorico che stabilisca la conduttività in un materiale 2-D sia apparso all'incirca nello stesso periodo in cui i primi campioni del materiale sono stati realizzati da laboratori negli Stati Uniti e in Cina. Infatti, un precedente documento del gruppo Yakobson aveva offerto una road map per farlo.

Che ora sia stato prodotto il boro 2-D è una buona cosa, secondo Yakobson e gli autori principali Penev e Alex Kutana, un ricercatore post-dottorato alla Rice. "Da anni lavoriamo per caratterizzare il boro, dai grappoli di gabbie ai nanotubi ai fogli pialla, ma il fatto che questi documenti siano apparsi così vicini significa che questi laboratori possono ora testare le nostre teorie, "Ha detto Yakobson.

"In linea di principio, questo lavoro avrebbe potuto essere fatto anche tre anni fa, " ha detto. "Allora perché non abbiamo? Perché il materiale è rimasto ipotetico; va bene, teoricamente possibile, ma non avevamo una buona ragione per portarlo troppo lontano.

"Ma poi lo scorso autunno è diventato chiaro da incontri professionali e interazioni che può essere fatto. Ora quei documenti sono pubblicati. Quando pensi che stia arrivando per davvero, il livello successivo di esplorazione diventa più giustificabile, "Ha detto Yakobson.

Gli atomi di boro possono creare più di un modello quando si uniscono come materiale 2-D, un'altra caratteristica prevista da Yakobson e dalla sua squadra che ora si è concretizzata. Questi modelli, noti come polimorfi, può consentire ai ricercatori di sintonizzare la conduttività del materiale "semplicemente selezionando una disposizione selettiva dei fori esagonali, " ha detto Penev.

Ha anche notato che le qualità del boro sono state suggerite quando i ricercatori hanno scoperto più di un decennio fa che il diborite di magnesio è un superconduttore elettrone-fonone ad alta temperatura. "La gente ha capito molto tempo fa che la superconduttività è dovuta allo strato di boro, Penev ha detto. "Il magnesio agisce per drogare il materiale versando alcuni elettroni nello strato di boro. In questo caso, non ne abbiamo bisogno perché il boro 2-D è già metallico."

Penev ha suggerito che l'isolamento del boro 2-D tra strati di nitruro di boro esagonale inerte (noto anche come "grafene bianco") potrebbe aiutare a stabilizzare la sua natura superconduttiva.

Senza la disponibilità di un blocco di tempo su diversi grandi supercomputer governativi, lo studio avrebbe richiesto molto più tempo, ha detto Yakobson. "Alex ha fatto il lavoro pesante sul lavoro di calcolo, " ha detto. "Per trasformarlo da una discussione all'ora di pranzo in un vero e proprio risultato di una ricerca quantitativa ha richiesto uno sforzo molto grande".

L'articolo è il primo del gruppo di Yakobson sul tema della superconduttività, sebbene Penev sia un autore pubblicato sull'argomento. "Ho iniziato a lavorare sulla superconduttività nel 1993, ma è sempre stato una specie di hobby, e non avevo fatto nulla sull'argomento in 10 anni, Penev ha detto. "Quindi questo documento chiude il cerchio".