گرافین خواص قابل‌توجه بسیار زیادی دارد که مدیون ساختارش است- شبکه‌‌ای شش ضلعی به ضخامت تنها یک اتم کربن. این ماده در عین حال که از استیل محکم‌تر است قابلیت انعطاف‌پذیری زیادی دارد، و رسانای بسیار خوب حرارت و الکتریسته است. البته گرافین در نوع معمول و طبیعی خود خواص ابررسانایی ندارد.

جفت‌شدن زوج‌های کوپر

اگرچه گرافیت خالص هم ابررسانا نیست، اما در سال 2005 فیزیک‌دانان نشان دادند که با یک‌سری تغییرات شیمیایی، گرافیت نیز می‌تواند خواص ابررسانایی داشته باشد، به صورتی که بتوان مواد چگال ساخته شده از گرافین ایجاد کرد که با لایه‌هایی به ضخامت یک اتم اما از عنصر دیگری تغییر داده شده باشد. به این ترتیب بهترین ماده تغییر داده شده یعنی کلسیم گرافیت (CaC₆) ساخته شد، که دمای گذار ابررسانایی حدود 11/5 کلوین داشت. نظریه‌دان‌ها مکانیزم این پدیده را جفت‌شدن الکترون با فونون دانستند. فونون‌ها ارتعاش‌هایی در شبکه کریستالی مواد هستند که الکترون‌ها را به صورت «جفت‌های کوپر» درگیر یکدیگر می‌کنند تا بتوانند بدون هیچ مقاومتی در شبکه کریستالی حرکت کنند. جفت‌های کوپر مشخصه بارز ابررسانایی هستند. سپس مشخص شد که جفت‌شدن الکترون-فونون نه تنها می‌تواند در ترکیبات چگال گرافیت مشاهده شود بلکه با جایگزینی اتم‌ها با عناصر مناسب در یک لایه منفرد از گرافین نیز امکان روی‌دادن چنین خاصیتی محتمل است.

در سال 2012 گیانی پروفتا (Gianni Profeta) و همکارانش از دانشگاه لاکویلا در ایتالیا از مدل‌سازی‌های کامپیوتری استفاده کردند تا پیش‌بینی کنند که لیتیوم می‌تواند گزینه بسیار خوبی برای این جایگزینی باشد. این یافته‌ بسیار غافل‌گیرکننده‌ بود، چون LiC₆ هیچ‌گونه خاصیت ابررسانایی از خود نشان نداده بود، با این حال محققان دریافتند که ساختار تک‌لایه‌ای از این ماده می‌تواند به دو طریق خاصیت ابررسانایی داشته باشد. آن‌ها می‌گویند ارتعاش‌های شبکه‌ای اضافه شده که توسط اتم‌های لیتیوم به وجود آمده باید چگالی فونون‌ها را بسیار افزایش دهد، در حالی‌که الکترون‌هایی که توسط اتم‌های لیتیوم به گرافین اهدا می‌شود باید جفت‌شدن الکترون-فونون را در حالت کلی بسیار تقویت کنند.

آرایش‌های لیتیوم

این پیش‌بینی جدید توسط آندره داماسلی (Andrea Damascelli) در دانشگاه بریتیش کلمبیا در ونکوور و همکارانش در اروپا به انجام رسید. داماسلی و همکارانش نمونه‌های خود را با لایه‌های در حال رشدی از گرافین بر روی زیرلایه‌های سیلیکون-کاریبد آماده کردند، و سپس به صورت خیلی دقیقی اتم‌های لیتیوم را در خلاء 8 کلوین درون ساختار گرافیت قرار دادند- این فرایند «آرایش» نام دارد.

این تیم سپس خواص این نمونه‌ها را با استفاده از اسپکتروسکوپی گسیل فوتون در زاویه مناسب بررسی کردند که از اثر فوتوالکتریک برای اندازه‌گیری انرژی جنبشی و تکانه الکترون‌ها در یک ماده جامد استفاده می‌کند. این محققان دریافتند که الکترون‌ها هنگام عبور از شبکه کریستالی سرعت‌شان کم می‌شود. آن‌ها این پدیده را به جفت‌شدن تقویت‌شده الکترون-فونون نسبت دادند. مهم‌تر از این، آن‌ها همچنین نشان دادند که این جفت‌شدن بسیار قوی با شناسایی گاف انرژی بین الکترون‌های رسانش و الکترون‌های غیررسانش که در واقع انرژی لازم برای شکست جفت‌های کوپر است می‌تواند منتهی به ابررسانایی شود. در ولتاژ 9/0 میلی‌الکترون‌ولت،  مقدار اندازه‌گیری شده این گاف، دلالت بر وجود دمای گذاری در حدود 5/9 کلوین دارد – آن‌طور که در مقایسه با پیش‌بینی کار پروفتا و همکارانش تا بیش از حدود 8 کلوین پیش‌بینی شده بود.

آزمایش‌های تکاملی

برطبق کار داماسلی، این نتایج استفاده از گرافین را به عنوان سیستم مدلی برای مطالعه پدیده‌های کوانتومی تقویت می‌کند. همچنین نشان‌ می‌دهد که چگونه محدوده‌ بسیار وسیعی از ابزارهای الکترونیکی می‌توانند توسط زیرلایه منفردی به یکدیگر متصل شوند. در واقع پاتریک کرچمن (Patrick Kirchmann) و شولانگ یانگ (Shuolong Yang) از آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی در کالیفرنیا که عضوی از گروه هستند که سال گذشته ابررسانایی بر پایه فونون را برای CaC6 اثبات کردند، بر این باورند که این پژوهش در نهایت منجر به تولید ابزارهای ابررسانا در مقیاس نانو با واسط کوانتومی، برای  مثال کوانتوم دات‌های ابررسانا خواهد شد.

اگرچه آنها می‌افزایند که این نتایج در ابتدا باید با مشاهده دو اثر دیگر در دماهای زیر دمای گذار تایید شود: از دست دادن کامل مقاومت الکتریکی گرافین و طرد میدان‌های مغناطیسی یا همان اثر مایسنر. به گفته کرچمن این آزمایشات « مورد نیاز است تا ابررسانایی تایید شده و دمای گذار دقیق نیز تعیین شود».

داماسلی می‌گوید انجام این آزمایشات به روش جدیدی برای فراهم کردن گرافین آرایش‌شده نیاز دارد – روشی که به آن‌ها این امکان را می‌دهد تا این ماده در شرایط طبیعی پایدار باقی بماند و ابررسانایی در مقیاس بزرگ را نیز حفظ کند. او می‌گوید « ما به دنبال عناصر دیگر در زیرلایه‌های متفاوت هستیم- سیستم‌های ترکیبی گرافین که بتواند به کمک نگهداری اتم‌های آرایشی در زیرلایه بیاید».

گروه مستقل دیگری از محققان، شامل هایویونگ لی (Hyoyoung Lee)، توسان پارک (Tuson Park) و همکارانشان در دانشگاه سونگ‌کیونک‌وان در کره شمالی نیز ابررسانایی را در نمونه‌هایی شامل چندین لایه از گرافین که با لیتیوم آلایش شده مشاهده کرده‌اند. این گروه دمای گذاری که از اثر مایسنر گزارش داده‌اند برابر با 7/4 کلوین است.

کرچمن همچنین می‌گوید: « نقطه‌عطف بعدی ایجاد این نمود از ابررسانایی در یک تکه‌لایه از گرافین خواهد بود».

منبع: http://physicsworld.com/cws/article/news/2015/aug/28/decorated-graphene-is-a-superconductor