Hiljutine murranguline uuring on näidanud materjali grafeeni ainulaadseid omadusi, mis võimaldavad pikas perspektiivis välja töötada ökonoomsed ja praktilised ülijuhid.
A ülijuht on materjal, mis võib juhtida (edastada) elekter ilma vastupanuta. Seda takistust määratletakse kui mõningast kaotust energia mis tekib protsessi käigus. Seega muutub iga materjal ülijuhtivaks, kui see on võimeline juhtima elektrit sellel konkreetseltemperatuurvõi seisukorras, ilma soojuse, heli või muu energia eraldumiseta. Ülijuhid on 100 protsenti tõhusad, kuid enamik materjale peab olema äärmiselt madalal tasemel energia ülijuhtivaks muutumiseks, mis tähendab, et need peavad olema väga külmad. Enamik ülijuhte tuleb jahutada vedela heeliumiga väga madalale temperatuurile, umbes -270 kraadini Celsiuse järgi. Seega on igasugune ülijuhtiv rakendus tavaliselt seotud mingi aktiivse või passiivse krüogeense/madala temperatuuriga jahutamisega. See jahutusprotseduur nõuab iseenesest liiga palju energiat ja vedel heelium pole mitte ainult väga kallis, vaid ka taastumatu. Seetõttu on enamik tavalisi või "madala temperatuuriga" ülijuhte ebatõhusad, neil on oma piirid, need on ebaökonoomsed, kallid ja suuremahuliseks kasutamiseks ebapraktilised.
Kõrge temperatuuriga ülijuhid
Ülijuhtide valdkond tegi suure hüppe 1980. aastate keskel, kui avastati vaskoksiidi ühend, mis suudab ülijuhtida -238 kraadi Celsiuse järgi. See on endiselt külm, kuid palju soojem kui vedela heeliumi temperatuur. Seda tunti kui esimest kunagi avastatud kõrgtemperatuurilist ülijuhti (HTC), mis võitis Nobeli preemia, ehkki selle "kõrge" ainult suuremas suhtelises mõttes. Seetõttu tuli teadlastele pähe, et nad võiksid lõpuks keskenduda ülijuhtide leidmisele, mis töötavad näiteks vedela lämmastikuga (-196 °C), mille pluss on see, et seda on palju ja see on ka odav. Kõrge temperatuuriga ülijuhtidel on ka rakendusi, kus on vaja väga kõrgeid magnetvälju. Nende madala temperatuuriga analoogid lakkavad töötamast umbes 23 tesla juures (tesla on magnetvälja tugevuse ühik), nii et neid ei saa kasutada tugevamate magnetite valmistamiseks. Kuid kõrge temperatuuriga ülijuhtivad materjalid võivad töötada rohkem kui kaks korda suuremal väljal ja tõenäoliselt isegi kõrgemal. Kuna ülijuhid tekitavad suuri magnetvälju, on need skannerite ja leviteerivate rongide oluline komponent. Näiteks tänapäeval on MRI (magnetresonantstomograafia) tehnika, mis kasutab seda kvaliteeti kehas leiduvate materjalide, haiguste ja komplekssete molekulide vaatamiseks ja uurimiseks. Muude rakenduste hulka kuuluvad elektrivõrgu mastaabis salvestamine energiatõhusate elektriliinide abil (näiteks ülijuhtivad kaablid võivad anda 10 korda rohkem võimsust kui sama suurusega cooper-juhtmed), tuuleenergia generaatorid ja ka superarvutid. Seadmed, mis on võimelised salvestama ülijuhtidega saab luua energiat miljoneid aastaid.
Praegustel kõrge temperatuuriga ülijuhtidel on oma piirangud ja väljakutsed. Peale selle, et need ülijuhid on jahutusseadme vajaduse tõttu väga kallid, on need valmistatud rabedatest materjalidest ja neid ei ole lihtne vormida ning seetõttu ei saa neid kasutada elektrijuhtmete valmistamiseks. Samuti võib materjal olla teatud keskkondades keemiliselt ebastabiilne ja äärmiselt tundlik atmosfääri ja vee lisandite suhtes ning seetõttu tuleb see üldiselt ümbritseda. Siis on ainult maksimaalne vool, mida ülijuhtivad materjalid võivad kanda, ja üle kriitilise voolutiheduse ülijuhtivus laguneb, piirates voolu. Heade ülijuhtide kasutamist takistavad suured kulud ja ebaotstarbekus, eriti arengumaades. Insenerid sooviksid oma ettekujutuses tõesti pehmet, tempermalmist, ferromagnetilist ülijuhti, mis on lisandite või rakendatud voolu- ja magnetväljade suhtes mitteläbilaskev. Liiga palju nõuda!
Grafeen võib see olla!
Eduka ülijuhi keskne kriteerium on kõrge temperatuuri leidmine ülijuhtr, ideaalne stsenaarium on toatemperatuur. Uuemad materjalid on aga endiselt piiratud ja nende valmistamine on väga keeruline. Selles valdkonnas õpitakse endiselt pidevalt selle kohta, millist metoodikat need kõrge temperatuuriga ülijuhid kasutavad ja kuidas teadlased võiksid jõuda uue praktilise disainini. Kõrge temperatuuriga ülijuhtide üks väljakutseid pakkuv aspekt on see, et väga halvasti mõistetakse, mis aitab materjalis elektronidel paarituda. Hiljutine uuring näitas esimest korda, et materjal graphene sellel on sisemine ülijuhtivus ja me saame tõesti teha grafeenist ülijuhti selle materjali loomulikus olekus. Grafeen, puhtalt süsinikupõhine materjal, avastati alles 2004. aastal ja see on teadaolevalt kõige õhem materjal. Samuti on see kerge ja paindlik, kuna iga leht koosneb kuusnurkselt paigutatud süsinikuaatomitest. Seda peetakse terasest tugevamaks ja see väljendab vasega võrreldes palju paremat elektrijuhtivust. Seega on see mitmemõõtmeline materjal, millel on kõik need paljutõotavad omadused.
Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi ja USA Harvardi Ülikooli füüsikud, kelle tööd on avaldatud kahes artiklis1,2 in loodus, on teatanud, et nad suudavad häälestada materjali grafeeni kahe äärmusliku elektrilise käitumise näitamiseks – isolaatorina, milles see ei lase voolul läbi minna, ja ülijuhina, milles see laseb voolul läbida ilma takistuseta. Loodi kahest grafeenilehest koosnev "supervõre", mis oli virnastatud ja pööratud veidi 1.1 kraadise "maagilise nurga" all. See konkreetne katva kuusnurkse kärgstruktuuri mustri paigutus tehti selleks, et potentsiaalselt kutsuda esile "tugevalt korrelatsioonis interaktsioone" grafeenilehtede elektronide vahel. Ja see juhtus seetõttu, et grafeen suutis selle "maagilise nurga" all elektrit juhtida nulltakistusega, samas kui mis tahes muu virnastatud paigutus hoidis grafeeni eristatuna ja naaberkihtidega ei olnud mingit vastasmõju. Nad näitasid viisi, kuidas muuta grafeen omaks olemuslikuks kvaliteediks, et omaette ülimalt käituda. Miks see on väga asjakohane, tuleneb sellest, et sama rühm oli varem sünteesinud grafeeni ülijuhte, asetades grafeeni kontakti teiste ülijuhtivate metallidega, võimaldades tal pärida mõningaid ülijuhtivaid käitumisviise, kuid seda ei olnud võimalik saavutada ainult grafeeniga. See on murranguline aruanne, sest grafeeni juhtivusvõime on olnud teada juba mõnda aega, kuid see on esimene kord, kui grafeeni ülijuhtivus on saavutatud ilma sellele muid materjale muutmata või lisamata. Seega saab grafeeni kasutada transistoritaolise materjali valmistamiseks. seade ülijuhtivas vooluringis ja grafeeni poolt väljendatud ülijuhtivus saaks lisada uudsete funktsioonidega molekulaarsetesse elektroonikaseadmetesse.
See toob meid tagasi kõigi juttude juurde kõrgtemperatuursetest ülijuhtidest ja kuigi see süsteem tuli veel jahutada 1.7 kraadini Celsiuse järgi, näib grafeeni tootmine ja kasutamine suurte projektide jaoks praegu võimalik, kui uurida selle ebatavalist ülijuhtivust. Erinevalt tavalistest ülijuhtidest ei saa grafeeni aktiivsust seletada ülijuhtivuse peavoolu teooriaga. Sellist ebatavalist aktiivsust on täheldatud keerulistes vaskoksiidides, mida nimetatakse kupraatideks, mis teadaolevalt juhivad elektrit kuni 133 kraadi Celsiuse järgi ja on olnud uurimistöö keskmes juba mitu aastakümmet. Kuigi erinevalt nendest kupraatidest on virnastatud grafeenisüsteem üsna lihtne ja materjalist saab ka paremini aru. Alles nüüd on grafeen avastatud puhta ülijuhina, kuid materjalil iseenesest on palju silmapaistvaid omadusi, mis on varem teada. See töö sillutab teed grafeeni tugevamale rollile ja kõrge temperatuuriga ülijuhtide arendamisele, mis on keskkonnasõbralikud ja rohkem energia tõhus ja mis kõige tähtsam - toimib toatemperatuuril, välistades vajaduse kalli jahutuse järele. See võib muuta revolutsiooniliseks energiaedastuse, uurimismagnetid, meditsiiniseadmed, eriti skannerid, ja võiks tõesti muuta energia edastamise meie kodudes ja kontorites.
***
{Saate lugeda esialgset uurimistööd, klõpsates alltoodud allika(te) loendis DOI lingil}
Allikas (d)
1. Yuan C et al. 2018. Korreleeritud isolaatori käitumine pooleldi täitmisel maagilise nurga grafeeni supervõredes. Loodus. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C et al. 2018. Ebatavaline ülijuhtivus maagilise nurga grafeeni supervõredes. Loodus. https://doi.org/10.1038/nature26160
