Kiraalinen ja magneettinen suprajohde

Magneetit ja suprajohteet sopivat yhteen kuin öljy ja vesi – tai niin tiedemiehet ovat ainakin ajatelleet. Mutta MIT:n fyysikkojen uusi löydös kyseenalaistaa tämän vuosisatoja vanhan oletuksen.

Uudessa tutkimusartikkelissa fyysikot raportoivat löytäneensä "kiraalisen suprajohteen" – materiaalin, joka johtaa sähköä ilman vastusta ja on paradoksaalisesti myös luonnostaan magneettinen. Lisäksi he havaitsivat tämän eksoottisen suprajohtavuuden yllättävän varsin tavallisessa materiaalissa: grafiitissa, joka on lyijykynän pääasiallinen materiaali.

MIT-tiimi on havainnut, että kun neljä tai viisi grafeenilevyä pinotaan "romboedriseen" konfiguraatioon, tuloksena olevalla rakenteella voi olla poikkeuksellisia sähköisiä ominaisuuksia, joita ei havaita grafiitissa sellaisenaan.

Fyysikot eristivät grafiitista mikroskooppisia romboedrisen grafeenin hiutaleita ja havaitsivat, että kun hiutaleet jäähdytetään 300 millikelviniin, niin materiaali muuttuu suprajohteeksi.

He havaitsivat myös, että ulkoisen magneettikentän vaihtelu hiutaleisiin vaihtoi sen kahden eri suprajohtavan tilan välillä, aivan kuten magneetti. Tämä viittaa siihen, että suprajohteella on jonkin verran sisäistä, luontaista magnetismia.

”Yleisen käsityksen mukaan suprajohteet eivät pidä magneettikentistä”, sanoo Long Ju, MIT:n fysiikan apulaisprofessori. ”Mutta uskomme, että tämä on ensimmäinen havainto magneettina käyttäytyvästä suprajohteesta, josta on näin suora ja yksinkertainen näyttö.”

Fyysikot ovat olettaneet, että kaikilla suprajohtavilla materiaaleilla tulisi olla sekä sähköinen nollaresistanssi että luonnollinen magneettinen hylkiminen.

Julla ja hänen kollegoillaan ei ollut syytä kyseenalaistaa tätä oletusta tehdessään kokeitaan MIT:ssä. Viime vuosina tiimi on tutkinut viisikerroksisen romboedrisen grafeenin sähköisiä ominaisuuksia. Tutkijat ovat havainneet yllättäviä ominaisuuksia viisikerroksisessa, portaikkomaisessa grafeenirakenteessa, viimeisimpänä havaintoa siitä, että se mahdollistaa elektronien itsensä jakautumisen osiin.

Tämä ilmiö tapahtuu, kun viisikerroksinen rakenne asetetaan kuusikulmaisen boorinitridilevyn päälle ja sitä hieman siirretään tietyllä kulmalla eli kierteellä. Teknisesti tutkijat raportoivat vankan epätavanomaisen suprajohtavuuden löydöksestä romboedrisessa tetra- ja pentakerrosgrafeenissa ilman moiré-superhilailmiöitä.

Tutkijoiden mukaan tämä on ensimmäinen havainto suprajohteesta, joka käyttäytyy magneettina elektronien rataliikkeen vuoksi, ja sitä kutsutaan kiraaliseksi suprajohteeksi. Se on ainutlaatuinen. Se on myös ehdokas topologiseksi suprajohteeksi, joka voisi mahdollistaa vankan kvanttilaskennan.

”Kaikki, mitä olemme tästä materiaalista löytäneet, on tullut täysin yllättäen”, sanoo Zhengguang Lu. ”Mutta koska tämä on yksinkertainen järjestelmä, uskomme meillä olevan hyvät mahdollisuudet ymmärtää, mitä on tekeillä, ja voisimme osoittaa joitakin erittäin syvällisiä fysiikan periaatteita.”

”On todella merkittävää, että näin eksoottinen kiraalinen suprajohde syntyy näin yksinkertaisista ainesosista”, lisää Liang Fu, MIT:n fysiikan professori. ”Rombodedraalisessa grafeenissa on varmasti paljon annettavaa suprajohtavuudelle.”

Aiheesta aiemmin:

KIraalinen kvanttitila topologisessa materiaalissa

Elektronikanavia ilman resistanssia

Jään ja veden kaltaisia tiloja erittäin ohuessa materiaalissa