Článek
Grafen, dvourozměrný materiál tvořený jedinou vrstvou atomů uhlíku uspořádaných do mřížky podobné včelí plástvi, je už sám o sobě zázrakem moderní materiálové vědy. Má unikátní elektronické, mechanické a optické vlastnosti. V posledních letech se však pozornost vědců přesunula k ještě komplexnějšímu uspořádání: zkroucenému dvouvrstvému grafenu (twisted bilayer graphene - tBG). To je materiál tvořený dvěma vrstvami grafenu, které jsou na sobě položené a vzájemně pootočené o určitý úhel.
A ukázalo se, že právě tento úhel pootočení hraje klíčovou roli. Když jsou vrstvy grafenu zkrouceny o velmi specifický, malý úhel – takzvaný „magický úhel“ (přibližně 1,1 stupně) – materiál začne vykazovat zcela fascinující a neočekávané elektronické vlastnosti. Na magickém úhlu se tBG chová jako izolant, ale po mírném domiesení (přidání nebo odebrání elektronů) se promění v supravodič – materiál, který vede elektrický proud s nulovým elektrickým odporem, obvykle při extrémně nízkých teplotách. Kromě supravodivosti vykazuje na magickém úhlu i další exotické stavy elektronů.
Objev supravodivosti na magickém úhlu v tBG před několika lety nadchl vědeckou komunitu, ale zároveň vyvolal zásadní otázku: Proč se tento materiál na magickém úhlu stává supravodičem? Standardní teorie supravodivosti, které vysvětlují, jak elektrony tvoří páry díky interakci s vibracemi atomové mřížky (fonony), se zdály pro tento exotický stav ne zcela dostačující. V našem chápání mechanismu supravodivosti na magickém úhlu chyběl klíčový kousek skládačky – nějaké „lepidlo“ nebo síla, která by elektrony párovala.
Nový výzkum: Odhalen nečekaný kolektivní kmit
Nyní, nový výzkum přináší experimentální důkaz, který by mohl tuto záhadu konečně rozluštit. Tým vědců z Columbia University, ve spolupráci s teoretiky z Flatiron Institute, Max Planck Institute v Hamburku a University of Oxford, použil pokročilou experimentální techniku k prozkoumání zkrouceného dvouvrstvého grafenu na magickém úhlu.
Vědci využili techniku zvanou Resonant Inelastic X-ray Scattering (RIXS), kterou prováděli v národním laboratoři Brookhaven National Laboratory. RIXS je metoda, která umožňuje „nahlédnout“ do materiálu a zkoumat jeho kolektivní excitace – tedy způsoby, jakými se elektrony a atomy ve materiálu společně chovají a kmitají.
A co objevili, bylo zcela překvapivé: V tBG zkrouceném na magickém úhlu pozorovali silný, nový kolektivní kmit nebo excitaci, který byl v materiálu za normálních okolností (při jiných úhlech nebo v jedné vrstvě grafenu) nepřítomen. Tato vibrace se objevila POUZE tehdy, když byl grafen zkroucen právě na tom magickém úhlu, kde se projevují jeho exotické elektronické vlastnosti. Co je ještě zajímavější, tato vibrace nebyla předpovězena žádnou ze standardních teorií popisujících chování elektronů v grafenu.
Záhadná vibrace jako potenciální „lepidlo“ pro supravodivost
Přesná povaha této záhadné vibrace je stále předmětem intenzivního výzkumu. Zdá se, že jde o kolektivní elektronickou excitaci, která by mohla být nějak spojena s plazmony (kolektivní kmity elektronového plynu) nebo zahrnovat složitou interakci mezi elektrony a strukturou mřížky. Její nečekaný výskyt právě na magickém úhlu, kde dochází k supravodivosti, však vede k jedné velmi slibné hypotéze:
Tato nově objevená, silná a záhadná vibrace by mohla být oním dlouho hledaným „lepidlem“, mechanismem, který zodpovídá za párování elektronů, což je základní podmínka pro vznik supravodivosti. Mohla by to být právě tato unikátní kolektivní excitace, která dává elektronům na magickém úhlu tu správnou „motivaci“ k tomu, aby se spojily do párů a proudily materiálem bez odporu. Kromě supravodivosti by mohla hrát roli i při vzniku dalších korelovaných elektronických stavů pozorovaných na magickém úhlu.
Význam objevu a co dál?
Nalezení této záhadné vibrace je významným krokem vpřed v našem pochopení supravodivosti v netradičních materiálech, jako je tBG na magickém úhlu.
- Experimentální důkaz: Poskytuje konkrétní experimentální důkaz existence klíčového kolektivního jevu, který se děje právě v tom fascinujícím stavu materiálu.
- Kandidát na mechanismus: Představuje silného kandidáta na chybějící vysvětlení mechanismu supravodivosti a dalších jevů na magickém úhlu.
- Nové směry výzkumu: Otevírá nové dveře pro teoretické fyziky, aby vyvinuli nové modely, které by tuto vibraci předpověděly a vysvětlily, a pro experimentátory, aby ji dále zkoumali.
- Naděje pro supravodiče: Pochopení mechanismu supravodivosti v těchto materiálech by mohlo teoreticky pomoci při hledání nebo designu supravodičů, které by fungovaly při vyšších (a praktičtějších) teplotách, což je jeden z "svatých grálů" fyziky.
Závěr: Záhada se začíná rozplétat
Objev záhadné kolektivní vibrace, která se objevuje právě na magickém úhlu ve zkrouceném dvouvrstvém grafenu, je vzrušujícím příkladem toho, jak kombinace precizní materiálové vědy (vytvoření materiálu s unikátní strukturou) a pokročilých experimentálních technik může odhalit fundamentální fyzikální jevy.
Tato nečekaná vibrace by mohla být klíčem k rozluštění záhady supravodivosti a dalších exotických vlastností tBG na magickém úhlu. I když je před námi ještě mnoho práce na plném pochopení její povahy a role, tento objev představuje významný krok k odhalení tajemství netradiční supravodivosti a otevírá nové cesty k vývoji budoucích elektronických technologií. Fascinující svět kvantových materiálů nás nepřestává překvapovat!
