211service.com
Gedoteerd grafaan moet supergeleiden bij 90K
Er is een probleem met supergeleiders met een hoge temperatuur. Het is nu meer dan twee decennia geleden sinds de ontdekking dat bepaalde koperoxiden supergeleidend kunnen zijn bij temperaturen boven 30 K.
Die jaren waren gevuld met beloften, overdrijvingen en koortsachtig onderzoek. Natuurkundigen weten dat koperoxiden op een heel andere manier supergeleiden dan conventionele BCS-supergeleiders (naar Bardeen, Cooper en Schrieffer, die de theorie erachter hebben uitgewerkt). En toch is niemand het eens over wat het nieuwe mechanisme precies is. Evenmin heeft iemand een supergeleider gemaakt die werkt bij een bruikbare temperatuur, dat wil zeggen boven de temperatuur van vloeibare stikstof.
Zelfs de heropleving van de opwinding vorig jaar over de ontdekking dat magnesiumdiboride supergeleidend is bij hoge temperaturen, waarschijnlijk op de ouderwetse BCS-manier, maakte al snel plaats voor malaise omdat natuurkundigen ontdekten dat ze niet konden voortbouwen op de doorbraak om betere supergeleiders te maken. Het is verleidelijk om te denken dat supergeleiders de barrière van vloeibare stikstof nooit zullen passeren.
Maar vandaag is de hoop hersteld dankzij een fascinerende reeks berekeningen uitgevoerd door Gianluca Savini aan de Universiteit van Cambridge in het VK en een paar maatjes. Ze berekenen de eigenschappen van p-gedoteerd grafaan op basis van de eerste principes en zeggen dat het supergeleidend zou moeten zijn bij een zwoele 90K of meer, ruim binnen het bereik van koeling met vloeibare stikstof.
Bovendien zou p-gedoteerd grafaan op dezelfde manier moeten supergeleiden als de ouderwetse BCS-supergeleiders. Dat is merkwaardig, want iedereen gelooft dat BCS-supergeleiding niet kan werken bij hoge temperaturen.
De reden is de energie van de interactie tussen de supergeleidende elektronen en het omringende materiaal. In gewone BCS-supergeleiders wordt gedacht dat dit slechts enkele tientallen meV's zijn. In de koperoxiden hebben deze interacties echter een energie van enkele honderden meVs. Het is dit verschil dat natuurkundigen doet denken dat BCS-supergeleiders nooit zullen werken bij de temperatuur van koperoxiden.
En toch daagt de ontdekking dat magnesiumdiboride supergeleidend is, uit dat de denkenergie van deze interacties in MgB2 veel hoger is. Drie factoren lijken samen te komen om het mogelijk te maken, zeggen Savini en co. Ten eerste is er de karakteristieke energie van de fononen in MgB2 die te wijten is aan het uitrekken van de binding en een belangrijke rol speelt bij het helpen van supergeleiders door de structuur. Ten tweede is er de elektronendichtheid van toestanden in het materiaal en tenslotte wijzen ze op het evenwicht tussen de aantrekkelijke elektron-fononkoppeling en de afstotende elektron-elektroninteractie in MgB2.
Zou het mogelijk zijn om materialen te vinden waarin deze hoeveelheden verder gemanipuleerd kunnen worden? Zeker weten. Savini en co merkten op dat p-gedoteerde diamant twee van deze kenmerken heeft, maar alleen bij 4K supergeleidt.
Ze berekenen echter dat p-gedoteerde grafaan precies past en op 90K op de ouderwetse BCS-manier zou moeten supergeleiden. Bovendien zeggen ze dat er aanwijzingen zijn dat p-gedoteerde diamanten nanodraden vergelijkbare eigenschappen kunnen hebben.
Verschillende groepen spelen al met gedoteerde diamanten nanodraden.
De implicaties van dit alles zijn verbluffend. Ten eerste is er de mogelijkheid van bruikbare supergeleidende apparaten die alleen worden gekoeld met vloeibare stikstof. Eindelijk!
Maar er is nog een andere, meer exotische implicatie: door transistorachtige poorten te maken van op verschillende manieren gedoteerd grafaan, moet het mogelijk zijn om apparaten te maken waarin de supergeleiding kan worden in- en uitgeschakeld. Dat maakt een geheel nieuwe klasse switch mogelijk.
Maar daarvoor moet iemand p-gedoteerd grafaan maken. Dat zal moeilijk zijn. Grafaan zelf werd vorig jaar pas voor het eerst gemaakt aan de Universiteit van Manchester. Het moet vermakelijk zijn om de race te volgen om een p-gedoteerde versie te maken en te testen.
Referentie: arxiv.org/abs/1002.0653 : Gedoteerd grafaan: een prototype High-Tc Electron-Fonon Superconductor