- Vědci z Massachusettského technologického institutu objevili novou formu uhlíkového materiálu – PRSG
- PRSG kombinuje jedinečné fyzikální stavy: izolační, magnetický a topologický
- Elektronová korelace v dané struktuře podporuje supravodivost
Výzkumníci z Massachusettského technologického institutu (MIT) představili nový materiál, který nejenže překonává tvrdost diamantu a pevnost oceli, ale také může sloužit jako klíč k supravodivým látkám! Jedná se jeden z derivátů grafenu s krkolomným názvem pentalayer rhombohedral stacked graphene. Pro jednoduchost jej budeme psát jako PRSG. Nejdříve se podíváme na jeho strukturu, která je tvořena pěti vrstvami grafenu, které jsou poskládány do rhomboedrického tvaru. Rhomboedrický útvar si můžeme představit jako dvě opačně spojené pyramidy proti sobě. Právě této struktuře bude věnovaný dnešní článek, protože je zodpovědná za jedinečné vlastnosti tohoto materiálu.
Jaký je rozdíl mezi grafenem a PRSG?
Nejdříve se podíváme, jak se PRSG liší od grafenu, ze kterého je odvozen. Grafen je tvořen pouze jednoatomovou uhlíkovou vrstvou, která je uspořádaná do tvaru včelích plástů. Grafen nabízí řadu unikátních vlastností, jako je vysoká pevnost v tahu nebo vynikající elektrická vodivost. Nová studie ukazuje, že pro dosažení lepší elektrické vodivosti grafenu je třeba vrstvu grafenu zkroutit do specifických tvarů, což je po praktické stránce velmi problematické. Naopak PRSG se vyznačuje tím, že není potřeba jeho strukturu modifikovat (kroutit) do specifických tvarů, aby se projevily jeho nové fyzikální vlastnosti.
Jak jsme již zmínili, struktura PRSG je poměrně specifická. V této struktuře jsou elektrony umístěny blíže k sobě, což vede k jejich vzájemnému ovlivňování, známému jako elektronová korelace. Tento jev znamená, že pohyb jednoho elektronu může ovlivnit pohyb jiného elektronu. Nemusí to tak na první pohled vypadat, ale pohyb elektronů v PRSG je organizovaný právě díky jedinečné struktuře PRSG. V běžných materiálech jsou elektrony obvykle odděleny velkými vzdálenostmi, což způsobuje minimální vzájemné ovlivňování jejich pohybu. Přítomnost elektronové korelace je klíčovým faktorem, protože nás přibližuje k supravodivým materiálům, které jsou známé svým nulovým elektrickým odporem.
PRSG mění své fyzikální vlastnosti při změně elektrického napětí
Vědci z MIT se dále zaměřili na reakci PRSG na změnu elektrického napětí. Pro měření napětí bylo nezbytné umístit PRSG mezi dvě vrstvy nitridu boru. Následně bylo přivedeno elektrické napětí na elektrody. Během této studie bylo zaznamenáno, že v závislosti na velikosti přiloženého napětí PRSG vykazuje tři odlišné stavy, a to: izolační, magnetický a topologický stav. Na těchto vlastnostech by nebylo nic zajímavého až na jednu maličkost… V současné době existuje velmi omezené množství materiálů, které by dokázaly kombinovat tyto vlastnosti dohromady, až na pár výjimek, jíž je je právě PRSG.
Pokud je přivedené elektrické napětí na vzorek nízké, PRSG projevuje izolační vlastnosti, jednoduše řečeno se chová jako izolant a nevede žádný elektrický proud. Buďme upřímní, to není zas až tak zajímává vlastnost. Zvýšíme-li velikost přiloženého napětí, přejde materiál do magnetického stavu, kdy začne vykazovat magnetický moment, zjednodušeně si můžeme představit, že začne reagovat na přítomnost magnetického pole. Zvýšíme-li napětí ještě více, dostáváme se do posledního a nejvíce zajímavého stavu! Budeme mu říkat topologický stav. Čím je tento stav tak zvláštní?
Jak se projevuje topologická vodivost u vodivých materiálů?
Nejdříve si řekneme, co to znamená topologická vodivost, a začneme hned u vodičů. V případě vodičů je topologická vodivost způsobena specifickým uspořádáním elektronů, které umožňuje jejich volný pohyb. Takové uspořádání může vést ke zlepšení elektrické vlastnosti vodičů, jako je zvýšená elektrická vodivost nebo snížený elektrický odpor. V případě izolantů je topologická vodivost způsobena tím, že elektrony jsou uspořádány do specifického uspořádání, které zabraňuje jejich volnému pohybu.
Vlastnosti, jež jsou charakteristické pro topologické prvky, se projevují právě v případě PRSG. Tuto situaci si můžeme představit tak, že v materiálu existují oblasti, kudy mohou elektrony rychle procházet. Tyto oblasti se nacházejí většinou na vnější straně. Naopak střed vykazuje izolační vlastnosti, které omezují pohyb elektronů. Jinými slovy, okraj topologického materiálu slouží jako dokonalý vodič, zatímco středová část funguje jako izolant, což představuje klíčový prvek pro jeho charakteristické vlastnosti.
Nejen rychlejší a úspornější tranzistory
Nový materiál z grafenu má potenciál ovlivnit naše každodenní životy. Otevírá možnost vývoje nových technologií s větší výkonností, odolností a nižší hmotností ve srovnání se současnými technologiemi. PRSG by mohl být například využitý při výrobě nových typů tranzistorů, které by byly rychlejší a energeticky úspornější. Tento pokrok by mohl posunout hranice v oblasti elektroniky a přinést tak výkonnější zařízení, jako jsou počítače.
PRSG nabízí potenciální využití i v oblasti supravodivých kabelů. Současné supravodivé kabely jsou obvykle vyrobeny z kovů, jako je niob nebo lanthanoidy. Bohužel, supravodivé kabely jsou limitovány svou kritickou teplotou, často nižší než 100 °C, a vyžadují chlazení kapalným dusíkem, což je energeticky a finančně náročné. PRSG by mohl být využit k výrobě supravodivých kabelů, které by bylo možné chladit vzduchem nebo vodou, což by vedlo k podstatným úsporám nákladů a energie.
