I ricercatori hanno trovato un modo per attivare l'innato, ma prima nascosto, capacità del grafene di agire come un superconduttore, il che significa che può essere fatto trasportare una corrente elettrica con resistenza zero.

Il ritrovamento, segnalato in Comunicazioni sulla natura , migliora ulteriormente il potenziale del grafene, che è già ampiamente visto come un materiale che potrebbe rivoluzionare settori come l'assistenza sanitaria e l'elettronica. Il grafene è un foglio bidimensionale di atomi di carbonio e combina diverse proprietà notevoli; Per esempio, è molto forte, ma anche leggero e flessibile, e altamente conduttivo.

Dalla sua scoperta nel 2004, gli scienziati hanno ipotizzato che il grafene possa anche avere la capacità di essere un superconduttore. Fino ad ora, la superconduttività nel grafene è stata ottenuta solo drogandolo con, o mettendolo su, un materiale superconduttore - un processo che può compromettere alcune delle sue altre proprietà.

Ma nel nuovo studio, i ricercatori dell'Università di Cambridge sono riusciti ad attivare il potenziale dormiente del grafene come superconduttore a sé stante. Ciò è stato ottenuto accoppiandolo con un materiale chiamato praseodimio cerio rame ossido (PCCO).

I superconduttori sono già utilizzati in numerose applicazioni. Poiché generano grandi campi magnetici, sono un componente essenziale negli scanner MRI e nei treni levitanti. Potrebbero anche essere usati per realizzare linee elettriche e dispositivi efficienti dal punto di vista energetico in grado di immagazzinare energia per milioni di anni.

Il grafene superconduttore apre ancora più possibilità. I ricercatori suggeriscono, Per esempio, quel grafene potrebbe ora essere utilizzato per creare nuovi tipi di dispositivi quantistici superconduttori per l'elaborazione ad alta velocità. intrigante, potrebbe anche essere usato per dimostrare l'esistenza di una misteriosa forma di superconduttività nota come superconduttività "p-wave", che gli accademici faticano a verificare da più di 20 anni.

La ricerca è stata condotta dal dott. Angelo Di Bernardo e dal dott. Jason Robinson, Fellow al St John's College, Università di Cambridge, a fianco dei collaboratori il Professor Andrea Ferrari, dal Cambridge Graphene Centre; Professor Oded Millo, dell'Università Ebraica di Gerusalemme, e il professor Jacob Linder, presso l'Università norvegese della scienza e della tecnologia di Trondheim.

"È stato a lungo ipotizzato che, nelle giuste condizioni, il grafene dovrebbe subire una transizione superconduttiva, ma non posso, " ha detto Robinson. "L'idea di questo esperimento era, se accoppiamo il grafene a un superconduttore, possiamo attivare quella superconduttività intrinseca? La domanda quindi diventa come fai a sapere che la superconduttività che stai vedendo proviene dall'interno del grafene stesso, e non il superconduttore sottostante?"

Approcci simili sono stati adottati in studi precedenti utilizzando superconduttori a base metallica, ma con scarso successo. "Posizionare il grafene su un metallo può alterare drasticamente le proprietà, quindi tecnicamente non si comporta più come ci aspetteremmo, " Di Bernardo ha detto. "Quello che vedi non è la superconduttività intrinseca del grafene, ma semplicemente quella del superconduttore sottostante che viene trasmesso."

Il PCCO è un ossido di una classe più ampia di materiali superconduttori chiamati "cuprati". Ha anche proprietà elettroniche ben comprese, e utilizzando una tecnica chiamata microscopia a scansione e tunneling, i ricercatori sono stati in grado di distinguere la superconduttività nel PCCO dalla superconduttività osservata nel grafene.

La superconduttività è caratterizzata dal modo in cui gli elettroni interagiscono:all'interno di un superconduttore gli elettroni formano coppie, e l'allineamento di spin tra gli elettroni di una coppia può essere diverso a seconda del tipo - o "simmetria" - di superconduttività coinvolta. Nel PCCO, Per esempio, lo stato di spin delle coppie è disallineato (antiparallelo), in quello che è noto come "stato d'onda".

Al contrario, quando il grafene è stato accoppiato al PCCO superconduttore nell'esperimento condotto da Cambridge, i risultati hanno suggerito che le coppie di elettroni all'interno del grafene erano in uno stato di onda p. "Quello che abbiamo visto nel grafene è stato, in altre parole, un tipo molto diverso di superconduttività rispetto alla PCCO, "Ha detto Robinson. "Questo è stato un passo davvero importante perché significava che sapevamo che la superconduttività non proveniva dall'esterno e che il PCCO doveva quindi solo liberare la superconduttività intrinseca del grafene".

Non è chiaro quale tipo di superconduttività abbia attivato il team, ma i loro risultati indicano fortemente che si tratta della sfuggente forma "p-wave". Se è così, lo studio potrebbe trasformare il dibattito in corso sull'esistenza di questo misterioso tipo di superconduttività, e - in caso affermativo - di cosa si tratta esattamente.

Nel 1994, ricercatori in Giappone hanno fabbricato un superconduttore tripletto che potrebbe avere una simmetria dell'onda p utilizzando un materiale chiamato rutenato di stronzio (SRO). La simmetria dell'onda p di SRO non è mai stata completamente verificata, in parte ostacolato dal fatto che SRO è un cristallo ingombrante, il che rende difficile la fabbricazione del tipo di dispositivi necessari per testare le previsioni teoriche.

"Se la superconduttività dell'onda p viene effettivamente creata nel grafene, il grafene potrebbe essere utilizzato come impalcatura per la creazione e l'esplorazione di un intero nuovo spettro di dispositivi superconduttori per aree di ricerca fondamentale e applicata, " ha detto Robinson. "Tali esperimenti porterebbero necessariamente a una nuova scienza attraverso una migliore comprensione della superconduttività dell'onda p, e come si comporta in diversi dispositivi e impostazioni."

Lo studio ha anche ulteriori implicazioni. Per esempio, suggerisce che il grafene potrebbe essere usato per creare un dispositivo simile a un transistor in un circuito superconduttore, e che la sua superconduttività potrebbe essere incorporata nell'elettronica molecolare. "In linea di principio, data la varietà di molecole chimiche che possono legarsi alla superficie del grafene, questa ricerca può portare allo sviluppo di dispositivi di elettronica molecolare con nuove funzionalità basate sul grafene superconduttore, " ha aggiunto Di Bernardo.