Fyzikové z MIT objevili nový typ supravodiče, který je zároveň magnetem

Magnety a supravodiče se zdály být neslučitelné, jak olej a voda. Nový objev fyziků z MIT však tuto staletou představu zpochybňuje.

V článku publikovaném v časopise Nature (odkaz na článek) vědci popisují objev „chirálního supravodiče“ – materiálu, který vede elektřinu bez odporu a zároveň je paradoxně vnitřně magnetický. Ještě překvapivější je, že tento exotický supravodivý jev byl pozorován v obyčejném materiálu: grafitu, primární složce grafitové tuhy.

Grafit je tvořen mnoha vrstvami grafenu – atomárně tenkých, mřížkovitých listů uhlíkových atomů – které jsou naskládány na sobě a snadno se odlupují při aplikaci tlaku, například při psaní tužkou. Jediný vloček grafitu může obsahovat několik milionů vrstev grafenu, které jsou obvykle uspořádány tak, že každá druhá vrstva je zarovnána. Občas se však v grafitu vyskytují malé kapsy, kde je grafen uspořádán odlišně, podobně jako schody s posunutými vrstvami.

Tým z MIT zjistil, že když je čtyři nebo pět vrstev grafenu uspořádáno do této „rombohedrické“ konfigurace, výsledná struktura může vykazovat výjimečné elektronické vlastnosti, které se v grafitu jako celku neprojevují.

Ve své nové studii fyzikové izolovali mikroskopické vločky rombohedrického grafenu z grafitu a podrobili je řadě elektrických testů. Zjistili, že když se vločky ochladí na 300 milikelvinů (asi -273 stupňů Celsia), materiál se stane supravodivým, což znamená, že jakýkoli elektrický proud procházející materiálem může protékat bez odporu.

Zjistili také, že když měnili vnější magnetické pole nahoru a dolů, vločky bylo možné přepínat mezi dvěma různými supravodivými stavy, podobně jako magnet. To naznačuje, že supravodič má určitou vnitřní, vlastní magnetizaci. Takové přepínací chování chybí u jiných supravodičů.

„Obecně se předpokládá, že supravodiče nemají rády magnetická pole,“ říká Long Ju, docent fyziky na MIT. „Ale věříme, že toto je první pozorování supravodiče, který se chová jako magnet s tak přímým a jednoduchým důkazem. A to je docela bizarní věc, protože je to v rozporu s obecným dojmem lidí o supravodivosti a magnetismu.“

Ju je hlavním autorem studie, na které se podíleli i další autoři z MIT a dalších institucí.

Závěr

Objev je neintuitivní, ale tým pozoroval stejný jev u šesti podobných vzorků. Předpokládají, že klíčem je jedinečná konfigurace rombohedrického grafenu. Materiál má velmi jednoduché uspořádání uhlíkových atomů. Při ochlazení na ultranízké teploty se minimalizují tepelné fluktuace, což umožňuje elektronům protékajícím materiálem zpomalit, vnímat se navzájem a interagovat. Tyto kvantové interakce mohou vést k párování elektronů a supravodivosti. Mohou také podporovat koordinaci elektronů.

„Můžete si představit, že dva elektrony v páru se točí ve směru hodinových ručiček nebo proti směru hodinových ručiček, což odpovídá magnetu směřujícímu nahoru nebo dolů,“ vysvětluje Tonghang Han, student pátého ročníku v týmu. „Takže si myslíme, že toto je první pozorování supravodiče, který se chová jako magnet díky orbitálnímu pohybu elektronů, což je známé jako chirální supravodič. Je to unikátní. Je to také kandidát na topologický supravodič, který by mohl umožnit robustní kvantové výpočty.“

Výzkum na MIT byl podpořen americkým ministerstvem energetiky a stipendiem MathWorks.