Nad supravodivostí si vědci lámou hlavu již sto let. Řešení může nabídnout obyčejný uhlík ve formě grafenu

Nad fenoménem supravodivosti, tedy stavu, kdy různé materiály dosahují téměř nulového elektrického odporu a dokáží vést elektrický proud v podstatě beze ztrát, si vědci lámou hlavu již sto let. Poslední objevy vědců nyní ukazují, že kromě běžně užívaných keramických materiálů by řešení mohl nabídnout i obyčejný uhlík, a to ve formě grafenu, který má potenciál stát se materiálem budoucnosti.

Uhlík je běžný prvek, který se hojně vyskytuje na celém světe. Čistý uhlík se může vyskytovat v různých formách, jako grafit či diamant, které mu zajišťují unikátní vlastnosti. V posledních letech vědci zaměřují svou pozornost stále častěji na grafen, který je svou strukturou podobný grafitu, ale na výšku měří pouze jediný atom. Unikátní, v podstatě dvourozměrná struktura tvořená atomy uhlíku nabízí řadu předností, ať už se jedná o vysokou pevnost či propustnost světla. Grafen je i vynikající vodič elektrické energie, avšak k supravodivosti má daleko. To by se nicméně mohlo v budoucnu změnit.

Letos v dubnu vědci z amerického MIT ukázali, že za určitých podmínek je možné dosáhnout supravodivosti při využití dvou vrstev grafenu. Aby uhlík vykazoval supravodivé vlastnosti, musí být vrstvy grafenu natočené vůči sobě přesně o úhel 1,1 °. V tomto stavu dochází v elektronové struktuře grafenu ke vzniku plochých pásem, které jsou pro supravodivost nezbytné. Příprava takovéhoto materiálu ze dvou vrstev grafenu je nicméně velmi náročná, a není tak vhodná pro velkovýrobu.

Existuje však i jednodušší způsob, jak tato pásma zformovat, a to způsobem vhodným i pro velkovýrobu. Pro výrobu potenciálně supravodivého grafenu vědci využili karbid křemíku, tedy krystalickou sloučeninu uhlíku a křemíku. Krystal karbidu vědci zahřívali do té doby, než se křemík vypařil a zůstaly po něm pouze dvě vrstvy grafenu. Ty proti sobě sice nejsou nijak natočeny, ale leží přímo na sobě.

Tento materiál vědci prozkoumali pomocí fotometrické spektroskopie. Důkladnou analýzou pásové struktury grafenu vědci objevili oblast, které byla dříve přehlížena.

„Jedná se o přehlíženou vlastnost velmi dobře prozkoumaného systému. Dříve se nevědělo, že se v takto jednoduchém, dobře známém systému nachází plochá oblast v pásové struktuře,“ říká spoluautor studie Dmitry Marchenko.

Tato plochá oblast je základním požadavkem pro supravodivost, ale pouze za určitých podmínek. Přestože materiál tvořený čistě ze dvou vrstev grafenu zatím všechny potřebné podmínky pro supravodivost nesplňuje, jeho úpravou pomocí atomů jiných prvků či působením elektrického napětí se situace může změnit.

Úvodní fotografie: Grafen je tvořen atomy uhlíky, které jsou uspořádány do tenké vrstvy o tloušťce jediného atomu. Autor: CORE-Materials