פיזיקאים גילו משפחה של מבני גרפן על-מוליכים

תגלית זו, של מבני גרפן על-מוליכים, תוכל לעודד את פיתוחם של התקנים על-מוליכים מעשיים

[תרגום מאת ד”ר משה נחמני]

בכל הנוגע לגרפן, נראה כי על-מוליכות נשארת במשפחה.

גרפן הוא חומר דו-מימדי בעובי חד-אטומי הניתן לייצור על ידי תהליך כימי (exfoliation) מאותו חומר הגלם הנמצא בחודי עיפרון – גרפיט. החומר הדקיק במיוחד מורכב כל כולו מאטומי פחמן בלבד המסודרים במבנה משושה פשוט, בדומה לכלוב תרנגולות. מאז הבידוד של החומר המיוחד הזה בשנת 2004, מדענים גילו כי לגרפן יש תכונות יוצאות דופן רבות בעקבות מבנהו החד-שכבתי.  

גרפן, חד-שכבה של אטומי פחמן המסודרים בננו-מבנה סריגי דו-מימדי של יערת דבש, הוא אחד מהחומרים הדו-מימדיים הידועים ביותר. כאשר לוקחים שתי שכבות של גרפן ומסיטים אותן אחת כלפי השנייה ב”זווית הקסם” (מתוך וויקיפדיה) צצות תכונות מיוחדות במיוחד כגון על-מוליכות (superconductivity) וכן פרומגנטיות (ferromagnetism).

בשנת 2018, מדענים מהמכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס (MIT) גילו כי אם לוקחים שתי שכבות של גרפן ומסיטים אותן אחת כלפי השנייה בזווית מסוימת במיוחד [“זווית הקסם”], השכבה הכפולה הזו יכולה להפגין על-מוליכות יציבה. במצב כזה יכול זרם חשמלי לנוע בתוך השכבה הכפולה הזו תוך כדי אובדן אפסי של אנרגיה. לאחרונה, אותו צוות חוקרים מצא על-מוליכות דומה בתלת-שכבה מוסטת של גרפן – מבנה המורכב משלוש שכבות גרפן המוערמות אחת כלפי השנייה בזווית מוגדרת במיוחד.

כעת, צוות המחקר מדווח כי הם סבורים שגם ארבע וחמש שכבות מוסטות של גרפן, באם יוסטו בזוויות מוגדרות, תוכלנה להפגין את תכונת העל-מוליכות היציבה בטמפרטורות נמוכות. התגלית האחרונה הזו, שהתפרסמה בשבעה ליולי 2022, בכתב העת המדעי Nature Materials, מבססת את קיומה של משפחת חומרים על-מוליכים חדשה לחלוטין של גרפן רב-שכבתי. תגלית חדשה זו תוכל לשמש כבסיס לפיתוח של על-מוליכים מעשיים, יציבים בטמפרטורת החדר. אם התכונות של משפחת חומרים זו תוכל להשתכפל לחומרים מוליכים טבעיים, ניתן יהיה לרתום אותם, למשל, להעברת זרם חשמלי ללא התנגדות או אובדן אנרגיה, למשל, לשם פיתוח קרונות רכבת מרחפות באופן מגנטי ללא כל חיכוך.

“קיומה של משפחה זו חשוב כי היא מספקת דרך לפיתוחם של על-מוליכים יציבים”, אמר החוקר הראשי. 

קבוצת המחקר של Jarillo-Herrero היתה הראשונה אי פעם לגלות את הגרפן עם זווית הקסם, בצורת מבנה דו-שכבתי של שתי יריעות גרפן המונחות אחת מעל השנייה בהיסט זוויתי של 1.1 מעלות בדיוק. תצורה מוסטת זו, הידועה בשם ‘על-שריג מוייר’ (moiré superlattice), הופכת את החומר לכדי על-מוליך חזק ועמיד בטמפרטורות נמוכות מאוד. החוקרים גם גילו כי החומר הזה מפגין סוג של מבנה אלקטרוני הידע בשם ‘פס שטוח’ (flat band), שבו האלקטרונים של החומר הם בעלי אותה אנרגיה, ללא תלות בתנע הזויתי שלהם. במצב אלקטרוני זה של פס שטוח, ובטמפרטורות על-קרות, האלקטרונים הרגילים מאיטים את תנועתם באופן שיתופי מספיק כך שהם מזדווגים יחדיו לכדי זוגות קופר (Cooper pairs) – רכיבים חיוניים של על-מוליכות המסוגלים לנוע דרך החומר ללא כל התנגדות. למרות שהחוקרים צפו בכך כי גרפן מוסט אומנם מפגין הן על-מוליכות והן מבנה של פס שטוח, לא היה להם ברור מי הגורם להתהוותו של האחר.

“לא הייתה כל הוכחה שהפס השטוח הוא הגורם לעל-מוליכות” אומר החוקר הראשי. “קבוצות המחקר אחרות הצליחו לייצר מאז מבנים מוסטים מחומרים אחרים בעלי פסים שטוחים, אולם הם לא היו בעלי על-מוליכות יציבה. ולכן הרהרנו בזאת: האם נוכל לייצר התקן נוסף עם על-מוליכות של פס שטוח”?

בעודם מהרהרים בשאלה זו, קבוצת מחקר אחרת מאוניברסיטת הרווארד הגיעו לחישובים אשר הוכיחו מתמטית כי שלוש שכבות של גרפן, מוסטות בזווית של 1.6 מעלות, יפגינו גם הן פסים שטוחים, והציעו שמבנים אלו עשויים להיות על-מוליכים. הם המשיכו והראו כי לא קיים גבול למספר שכבות הגרפן שעשויות להפגין על-מוליכות, אם עורמים אותן ומסיטים אותן אחת כלפי השנייה במבנה המתאים, בזויות שגם אותן החוקרים העריכו. בסופו של דבר, הם הוכיחו כי הם יכלו להתאים מתמטית כל מבנה רב-שכבתי למבנה שכיח של פס שטוח – הוכחה מוצקה כי פס שטוח עשוי להוביל לעל-מוליכות יציבה.

זמן קצר לאחר מחקר זה, צוות המחקר של Jarillo-Herrero מצא כי, אכן, על-מוליכות ופס שטוח נוצרים במצב של גרפן תלת-שכבתי מוסט – שלוש יריעות גרפן המונחות בתצורה של כריך גבינה, כאשר השכבה האמצעית מוסטת בזווית של 1.6 מעלות יחסית לשתי השכבות שמעל ומתחת. בנוסף, המבנה התלת-שכבתי גם הפגין הבדלים זעומים בהשוואה למקבילו הדו-שכבתי. “ממצא זה הוביל אותנו לשאלה – כיצד קשורים שני מבנים אלו לקבוצה הכללית יותר של חומרים והאם אם אכן חלק מאותה משפחת חומרים”?, אמר החוקר הראשי.

במסגרת המחקר הנוכחי, הצוות תיכנן להגדיל את מספר שכבות הגרפן. הם יצרו שני מבנים חדשים לחלוטין, המורכבים מארבע וחמש שכבות גרפן, בהתאמה. כל מבנה מורכב ממספר שכבות מוסטות, בדומה למבנים הדו- והתלת-שכבתיים המוכרים. החוקרים שמרו את המבנים במקפיא בטמפרטורה של מינוס 273 מעלות צלזסיוס, העבירו זרם חשמלי דרך כל אחד מהמבנים ומדדו את התוצאות בתנאים משתנים, בדומה לבדיקות שנערכו עם המבנים הדו- והתלת-שכבתיים המוכרים.    

בסופו של דבר, החוקרים מצאו כי גם מבני הגרפן החדשים, עם המבנה הארבע- והחמש-שכבתי, מפגינים על-מוליכות יציבה וכן פס שטוח. המבנים חלקו גם מאפיינים דומים אחרים עם מקביליהם הדו- והתלת-שכבתיים, כגון התגובה שלהם לשדות מגנטיים עם עוצמות, זוויות וכיוניות משתנות. 

ניסויים אלו הראו כי מבני גרפן מוסטים יכולים להיחשב כמשפחת חומרים חדשה, או קבוצה של חומרים על-מוליכים נפוצים. הניסויים גם מציעים כי עשויה להיות ‘כבשה שחורה’ במשפחה: המבנה הדו-שכבתי המוסט המקורי, שעדיין חולק מספר תכונות מפתח, מפגין גם הבדלים זעומים מעמיתיו למשפחה. לדוגמה, הניסויים הקודמים של קבוצת המחקר הראו כי על-המוליכות של המבנה נעלמת כאשר מפעילים עליו שדות מגנטיים חלשים והיא יותר בלתי אחידה ככל שהשדה מסתובב לו, זאת בהשוואה לעמיתיו הרב-שכבתיים.  

החוקרים ערכו הדמיות מחשב עבור כל אחד מסוגי המבנים, תוך שהם מחפשים את ההסבר להבדלים שבין חברי הקבוצה. הם הגיעו למסקנה כי העובדה שעל-המוליכות של הגרפן הדו-שכבתי המוסט דועכת תחת תנאים מגנטיים מסוימים היא פשוט בגלל שכל השכבות הפיזיות מתקיימות בצורה “שאינן תמונות ראי אחת של השנייה” בתוך המבנה. במילים אחרות, אין בתוך המבנה כל שתי שכבות שהן תמונות ראי אחת של השנייה, בעוד שמבני הגרפן האחרים כן כוללים בתוכם סוג מסוים של סימטריית ראי. ממצאים אלו מציעים כי המנגנון המניע את האלקטרונים לזרום בעל-מוליכות יציבה משותף לכל משפחת הגרפנים המוסטים. “ממצא זה די חשוב,” מסביר החוקר הראשי. “אם לא היינו מגלים זאת, אנשים היו סבורים כי גרפן דו-שכבתי קונבנציונאלי יותר בהשוואה למבנים רב-שכבתיים. אולם, אנו הראנו כי שניהם שייכים לאותה משפחת חומרים של על-מוליכים יציבים.”

תקציר המאמר