En 'magisk vinkel' gør grafen superledende
Når et lag af vidundermaterialet grafen lægges lidt skævt oven på et andet lag, kan dobbeltlaget bliver superledende. Opdagelsen kan måske føre til nye superledende materialer.
Grafenmønster

Man kan blive helt ør i hovedet af at se på det moiré-mønster, som er resultatet af at lægge to lag grafen en smule skævt oven på hinanden. Det særlige mønster giver grafenen helt nye elektriske egenskaber. (Illustration: P. Jarillo-Herrero)

Grafen er verdens tyndeste og stærkeste materiale. Det består af kulstofatomer arrangeret i et enkelt lag, og forskerne bliver ved med at opdage nye sider af det.

Nu viser det sig, at dobbelte lag af grafen, hvor det ene lag er vredet en smule i forhold til det andet, kan gøres superledende – altså lede strøm helt uden modstand.

I stedet for at lægge to lag grafen lige over hinanden, drejer forskerne det øverste lag en smule, før det kommer oven på det nederste. Det gør hele forskellen. Superledningen dukker op ved en særlig vinkel på 1,1 grader, som forskerne kalder 'magisk'.

»Vi var overraskede over at se superledning – behageligt overraskede!« skriver Pablo Jarillo-Herrero i en mail til Videnskab.dk. Han er lektor på Massachusetts Institute of Technology i USA og stod i spidsen for den forskergruppe, der udforskede grafenlagene.

»Vi havde forventet en eller anden form for korreleret elektronisk opførsel, men det var ikke umiddelbart indlysende, at vi ville se superledning.«

Superleder

I almindelige elektriske ledere er der altid en vis elektrisk modstand.

Når strøm for eksempel løber igennem en kobberledning, går energi tabt, fordi en del af den elektriske energi bliver til varme.

Derfor arbejder forskere på at udvikle såkaldte superledere.

En superleder er et materiale, der kan lede elektricitet helt uden elektrisk modstand og dermed uden spild af energi.

En af de store udfordringer ved de hidtidige superledere er dog, at materialerne skal køles ekstremt langt ned for at opnå den superledende egenskab.

Elektronerne danser i takt

I det særlige mønster – den superstruktur – der dannes af de to grafenlag i den magiske vinkel, begynder elektronerne at opføre en koordineret dans, og de giver helt nye, spændende fænomener.

Det forklarer professor Kristian Sommer Thygesen fra Institut for Fysik på Danmarks Tekniske Universitet:

»I sig selv er grafen et semimetal, der ligger lige imellem et metal og en isolator. Men ved at variere vinklen mellem to lag grafen kan man tune elektronernes tilstand – man kan finde en vinkel, hvor hastigheden af elektronerne bliver nul. Det er den magiske vinkel.«

»Så bliver vekselvirkningen mellem elektronerne, hvor de frastøder hinanden, fordi de er negativt ladede, pludselig meget vigtig.«

Når elektronerne som udgangspunkt ligger stille, påvirker de kun hinanden gennem den elektriske frastødning. Det betyder, at de alle sammen begynder at bevæge sig på samme måde.

Forskerne bag eksperimentet kan ikke blot ændre vinklen mellem de to lag grafen, men også antallet af elektroner i materialet. På den måde kan de styre, om grafen-dobbeltlaget skal være elektrisk isolerende eller elektrisk ledende – eller ligefrem superledende.

Tapeholder

I 2004 blev de første grafen-lag isoleret fra grafit ved hjælp af helt almindelig tape fra denne tapeholder. (Foto: Henrik Bendix)

Målet er superledning ved stuetemperatur

Hvis det kan lykkes at udvikle superledende materialer, der fungerer ved stuetemperatur, kan vi spare enorme mængder strøm. Desuden kan sådanne materialer danne grundlaget for nye opfindelser som for eksempel hurtige, miljøvenlige magnettog.

Men her er grafen ikke meget værd, for dobbeltlagene er kun superledende op til en temperatur på 1,7 grader over det absolutte nulpunkt ved minus 273,15 grader celsius. Det fremgår af den videnskabelige artikel, der netop er publiceret i online-udgaven af det videnskabelige tidsskrift Nature.

Grafen er altså ikke nogen imponerende superleder, men forskerne håber, at de ved at studere det forholdsvis simple grafen-system kan få en bedre teoretisk forståelse af, hvordan superledning generelt fungerer. Det har de nemlig ikke helt styr på.

Forsøgsopstilling

Forsøgsopstillingen er designet, så forskerne både kan regulere vinklen mellem de to grafenlag og det elektrostatiske felt – antallet af elektroner – i materialet. (Illustration: Y. Cao et al./Nature)

Bedre forståelse af fysikken

Interessen samler sig ikke mindst om en klasse af kobberbaserede superledere, der kaldes cuprater. De bevarer nemlig deres superledende egenskab ved temperaturer på mere end 100 grader over det absolutte nulpunkt.

For tiden lyder varmerekorden for superledende cuprat på minus 139 grader celsius, så der er endnu langt til stuetemperatur. Men her kan grafen-superlederen måske hjælpe, hvis studiet af den giver forskerne teoretiske værktøjer til at udvikle cuprater og andre former for superledere, der fungerer ved høje temperaturer.

»Det mest spændende perspektiv er, at vi har skabt en ny platform, der gør det muligt at undersøge fysikken bag stærkt vekselvirkende elektroner i kvantematerialer,« som Pablo Jarillo-Herrero skriver det.

»Vi håber, at forskningsfeltet vil give ny indsigt i stærkt vekselvirkende elektroners komplekse opførsel, og at vores forskning kan lede til nye kvantefænomener og måske endda nye anvendelser en dag.«

Det er Kristian Sommer Thygesen enig i:

»Opstillingen er en legeplads, som kan gøre det muligt at forstå den fundamentale fysik bag superledning. Den forståelse kan så overføres til de kobber- og jernbaserede ikke-konventionelle superledere, som har et stort potentiale.«

Ugens Podcast

Lyt til vores ugentlige podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.