Merkittävä tutkimustulos: grafeeni voi muuttua suprajohteeksi luultua korkeammassa lämpötilassa

Suprajohteet ovat aineita, joiden sähkövastus katoaa kokonaan tietyn kriittisen lämpötilan alapuolella. Nykyään tunnetuilla suprajohteilla tuo kriittinen lämpötila on yleensä 200 pakkasasteen kylmemmällä puolella. Siksi suprajohteiden sovellukset vaativat kalliita jäähdytysjärjestelmiä, mikä on rajoittanut niiden käyttöä muun muassa kvanttitietokoneissa ja matkapuhelinverkkojen tukiasemilla.

Huoneenlämpötilassa toimiva suprajohde onkin yksi tieteen suurista tavoitteista, sillä se mahdollistaisi esimerkiksi tietokoneiden toiminnan paljon nykyistä pienemmällä energiankulutuksella.

Vuonna 2018 MIT:n professori Pablo Jarillo-Herrero havaitsi tutkimusryhmänsä kanssa, että maailman kestävin aine grafeeni voi muuttua suprajohteeksi, kun kaksi grafeenikerrosta ovat päällekkäin ja sopivasti toisiinsa nähden kierrettyinä. Nyt Aalto-yliopiston professori Päivi Törmän ja Jyväskylän yliopiston professori Tero Heikkilän tutkimusryhmät ovat osoittaneet teoreettisesti simuloimalla, että grafeeni voi muuttua suprajohteeksi paljon luultua korkeammassa lämpötilassa. Tämä johtuu grafeenin elektronien kvanttiominaisuuksista.

Tutkimustulokset julkaistiin Physical Review B –lehdessä.

Selitystä etsimässä

Physics World -lehti valitsi kaksikerrosgrafeenin suprajohtavuuden vuoden 2018 fysiikan alan läpimurroksi, ja fyysikot ympäri maailmaa ovat etsineet sille selitystä. Vaikka grafeeni muuttui suprajohtavaksi vain muutaman asteen päässä absoluuttisesta nollapisteestä, -273,15 celsiusasteesta, suprajohtavuuden mekanismin selittäminen voi auttaa kehittämään materiaaleja, jotka ovat suprajohtavia korkeassa lämpötilassa.

Aalto-yliopiston ja Jyväskylän yliopiston tuore tutkimus tarkensi tietoa suprajohtavuuden mekanismeista.

”Löysimme jo aiemmin uudenlaisten kvantti-ilmiöiden vaikutuksen suprajohtavuuteen, ja olemme sen jälkeen tutkineet sitä yksinkertaistetussa mallissa. Nyt oli hienoa nähdä simuloimalla, kuinka samat ilmiöt saadaan esiin oikeassa materiaalissa”, kertoo tutkija Aleksi Julku Aalto-yliopistosta.

”On tärkeää, että laskemiamme teoreettisia ennusteita voidaan jatkossa testata myös kokeellisesti. Tämä kertoo, onko grafeenin suprajohtavuudelle löytämämme selitys oikea”, sanoo tutkija Teemu Peltonen Jyväskylän yliopistosta.

Artikkeli: A. Julku, T. Peltonen, L. Liang, T.T. Heikkilä, ja P. Törmä, Phys. Rev. B 101, 060505 (2020)

Juttu tutkimuksesta Physics viewpoint -lehdessä