Dopad grafan bör supraledning vid 90K

Det finns ett problem med högtemperatursupraledare. Det är nu mer än två decennier sedan upptäckten att vissa kopparoxider kan supraledande vid temperaturer över 30 K.

Dessa år har varit fyllda av löften, överdrift och febrig forskning. Fysiker vet att kopparoxider är supraledare på ett helt annat sätt än konventionella BCS-supraledare (efter Bardeen, Cooper och Schrieffer, som utarbetade teorin bakom dem). Och ändå är ingen överens om exakt vad den nya mekanismen är. Ingen har heller skapat en supraledare som arbetar vid en användbar temperatur, det vill säga över temperaturen för flytande kväve.

Till och med återuppväckningen av spänning förra året över upptäckten att magnesiumdiborid supraledare vid höga temperaturer, förmodligen på gammaldags BCS-sätt, gav snart vika för sjukdomskänsla då fysiker fann att de inte kunde bygga vidare på genombrottet för att göra bättre supraledare. Det är frestande att tro att supraledare aldrig kommer att passera barriären för flytande kväve.

Men i dag är hoppet återställt tack vare en fascinerande uppsättning beräkningar utförda av Gianluca Savini vid University of Cambridge i Storbritannien och ett par kompisar. De beräknar egenskaperna hos p-dopat grafan utifrån de första principerna och säger att det borde supraleda vid ljumma 90K eller mer, väl inom intervallet för kylning av flytande kväve.

Vad mer p-dopat grafan bör supraleda på samma sätt som de gammaldags BCS supraledarna. Det är märkligt eftersom alla tror att BCS-supraledning inte kan fungera vid höga temperaturer.

Anledningen är energin i interaktionen mellan de supraledande elektronerna och det omgivande materialet. I vanliga BCS-supraledare tros detta bara vara några tiotals meV. I kopparoxiderna har dock dessa interaktioner en energi på några hundra meVs. Det är denna skillnad som får fysiker att tro att BCS-supraledare aldrig kommer att fungera vid kopparoxidernas temperatur.

Och ändå utmanar upptäckten att magnesiumdiborid supraledare att tänkande-energin i dessa interaktioner i MgB2 är mycket högre. Tre faktorer verkar samverka för att göra det möjligt, säger Savini och co. Först är den karakteristiska energin hos fononerna i MgB2 som beror på bindningssträckning och spelar en viktig roll för att hjälpa supraledare genom strukturen. För det andra är elektrontätheten för tillstånd i materialet och slutligen pekar de på balansen mellan den attraktiva elektron-fonon-kopplingen och den repulsiva elektron-elektron-interaktionen i MgB2.

Kan det vara möjligt att hitta material där dessa mängder kan manipuleras ytterligare? Det kan du vara säker på. Savini och co märkte att p-dopad diamant har två av dessa egenskaper men supraledande endast vid 4K.

De beräknar dock att p-dopat grafan passar exakt och borde supraledning på gammaldags BCS-sätt vid 90K. Dessutom säger de att det finns antydningar om att p-dopade diamantnanotrådar kan ha liknande egenskaper.

Olika grupper leker redan med dopade diamantnanotrådar.

Konsekvenserna av allt detta är häpnadsväckande. Först ut är möjligheten till användbara supraledande anordningar som endast kyls av flytande kväve. Äntligen!

Men det finns en annan, mer exotisk implikation: genom att skapa transistorliknande grindar av grafan som dopats på olika sätt, borde det vara möjligt att skapa enheter där supraledning kan slås på och av. Det kommer att möjliggöra en helt ny klass av switchar.

Innan allt detta måste dock någon göra p-dopad grafan. Det kommer att bli svårt. Graphane själv gjordes för första gången bara förra året vid University of Manchester. Det ska bli underhållande att följa loppet för att göra och testa en p-dopad version.

Ref: arxiv.org/abs/1002.0653 : Dopad grafan: en prototyp av hög-Tc elektron-fonon supraledare

Dölj