Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι οι νέοι υπεραγωγοί

Από σελίδα του PhysicsWeb 28 Ιουνίου 2001

Οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορεί τώρα να προσθέσουν την υπεραγωγιμότητα, στο ρεπερτόριο των νέων ηλεκτρονικών και μηχανικών ιδιοτήτων τους. Ο Ping Sheng και οι συνάδελφοι του στο Πανεπιστήμιο του Χογκ Κογκ, έχουν διαπιστώσει ότι οι νανοσωλήνες από άνθρακα δείχνουν υπεραγωγική συμπεριφορά κάτω από 20 Kelvin, επιβεβαιώνοντας ότι το ρεύμα χωρίς αντίσταση, μπορεί να διατρέξει τον καθαρό άνθρακα (Περιοδικό Science, 2001 292 2462).

O Sheng και συνάδελφοι του, ανίχνευσαν την υπεραγωγιμότητα στον με μονό-περιτοιχισμένο νανοσωλήνα άνθρακα - που στρέφονται πάνω σε φύλλα του γραφίτη - ακριβώς 0,4 nanometres σε διάμετρο. "Πιστεύουμε ότι αυτό το γεγονός, είναι η πρώτη φορά που η υπεραγωγιμότητα, έχει φανεί σε μεμονωμένο νανοσωλήνα άνθρακα", είπε ο Sheng. Η υπεραγωγιμότητα είχε φανεί στον νανοσωλήνα με άνθρακα πριν, αλλά οφειλόταν στη "επίδραση εγγύτητας". Αυτό είναι ένα εξωτικό φαινόμενο στο οποίο δύο υπεραγωγοί μπορούν να προκαλέσουν ρεύμα χωρίς αντίσταση, σε ορισμένα υλικά που στριμώχνονται μεταξύ τους.

Οι νανοσωλήνες παρουσίασαν τρία αποκαλυπτικά σημάδια της υπεραγωγιμότητας: την επίδραση Meissner, ένα υπεραγωγικό χάσμα και το υπερ-ρεύμα (supercurrent). Στην επίδραση Meissner, ένας υπεραγωγός που τοποθετείται σε ένα μαγνητικό πεδίο αποβάλλει τη μαγνητική ροή από το εσωτερικό του. "Αυτή είναι η κρίσημη δοκιμή για την υπεραγωγιμότητα", είπε ο Sheng. Η ομάδα χρησιμοπόηησε ένα μαγνητόμετρο SQUID, για να μετρήσει τη μαγνητική ευαισθησία του νανοσωλήνα από άνθρακα, ο οποίος συσχετίζεται άμεσα με αυτήν την εσωτερική ροή.

Οι νανοσωλήνες αφού τοποθετήθηκαν σε ένα μαγνητικό πεδίο, ψύχθηκαν αρχικά σε 1.8 Kelvin, και η θερμοκρασία αυξήθηκε μετά σε 50 Kelvin. Αυτή η διαδικασία επαναλήφθηκε για τα μαγνητικά πεδία που κυμαίνονται σε ισχύ από 0,02 Τesla έως 5 Τesla. Κάτω από 10 Kelvin, η μαγνητική ροή στο εσωτερικό των νανοσωλήνων έπεφτε σταθερά, καθώς το πεδίο έγινε ισχυρότερο, και ήταν κοντά στο μηδέν έως 5 Τesla. Αυτή η επίδραση ήταν ακόμα πιό εμφανής καθώς η θερμοκρασία πλησίασε τα 20 Kelvin. Αυτή η συμπεριφορά ταιριάζει περισσότερο με την προβλεφθείσα λόγω της επίδρασης Meissner.

Τα ηλεκτρόνια στους συμβατικούς αγωγούς κινούνται χωριστά, αλλά τα υπεραγωγικά ηλεκτρόνια κινούνται ανά ζεύγη. "Η ενέργεια που απαιτείται για να χωρίσουν τα ταξινομημένα κατά ζεύγοη ηλεκτρόνια είναι γνωστή ως υπεραγωγικό χάσμα", εξηγεί ο Sheng. Αυτό το χάσμα ένα είναι ακόμη στοιχείο της υπεραγωγιμότητας. Το τρίτο φαινόμενο που η ομάδα παρατήρησε ήταν το "υπερ-ρεύμα" (supercurrent). "Αυτή η ροή των ταξινομημένων κατά ζεύγη ηλεκτρονίων είναι μόνο δυνατή στους νανοσωλήνες χωρίς σφάλματα", λέει ο Sheng, "έτσι καταστήσαμε τους νανοσωλήνες ακριβώς 50 nanometres σε μήκος, για να μειωθούν έτσι οι πιθανότητες των ατελειών, επιτρέποντας σε μας να ανιχνεύσουμε υπερ-ρεύματα".

Τα στοιχεία που συλλέχθησαν από τον Sheng και τους συναδέλφους του, είναι σε συμφωνία με τη θεωρία Bardeen-Cooper-Schreiffer της υπεραγωγιμότητας, η οποία δηλώνει ότι οι δονήσεις του δικτυωτού πλέγματος κρυστάλλου - γνωστού ως φωνόνια (phonons) - βοηθούν την ελεύθερη ροή των ταξινομημένων κατά ζεύγη ηλεκτρονίων στους υπεραγωγούς. "Έχουμε εκπληρώσει μια πρόβλεψη που έγινε το 1995, ότι η υπεραγωγιμότητα θα εμφανιζόταν στους νανοσωλήνες λόγω της ενισχυμένης σύζευξης μεταξύ φωνονίων και των ηλεκτρονίων", λέει ο Sheng, "και τα αποτελέσματά μας είναι στο προβλεφθέν χρονικό εύρος".