கிராபீன்: அறை வெப்பநிலை சூப்பர் கண்டக்டர்களை நோக்கி ஒரு மாபெரும் பாய்ச்சல்

பொருளாதார மற்றும் நடைமுறையில் பயன்படுத்தக்கூடிய சூப்பர் கண்டக்டர்களை உருவாக்குவதற்கான நீண்ட கால சாத்தியத்திற்கான பொருள் கிராபெனின் தனித்துவமான பண்புகளை சமீபத்திய நிலத்தடி ஆய்வு காட்டுகிறது.

A சூப்பர் கண்டக்டர் கடத்தக்கூடிய ஒரு பொருள் மின்சாரம் எதிர்ப்பு இல்லாமல். இந்த எதிர்ப்பு சில இழப்பு என வரையறுக்கப்படுகிறது ஆற்றல் இது செயல்பாட்டின் போது நிகழ்கிறது. எனவே, எந்த ஒரு பொருளும் அந்த குறிப்பிட்ட நேரத்தில் மின்சாரத்தை கடத்தும் போது சூப்பர் கண்டக்டிவ் ஆகிறது.வெப்ப நிலை' அல்லது நிபந்தனை, வெப்பம், ஒலி அல்லது வேறு எந்த வகையான ஆற்றலையும் வெளியிடாமல். சூப்பர் கண்டக்டர்கள் 100 சதவீதம் திறன் கொண்டவை ஆனால் பெரும்பாலான பொருட்கள் மிகக் குறைவாக இருக்க வேண்டும் ஆற்றல் சூப்பர் கண்டக்டிவ் ஆக நிலை, அதாவது அவை மிகவும் குளிராக இருக்க வேண்டும். பெரும்பாலான சூப்பர் கண்டக்டர்களை திரவ ஹீலியம் மூலம் -270 டிகிரி செல்சியஸ் மிகக் குறைந்த வெப்பநிலைக்கு குளிர்விக்க வேண்டும். எனவே எந்த சூப்பர் கண்டக்டிங் பயன்பாடும் பொதுவாக ஒருவித செயலில் அல்லது செயலற்ற கிரையோஜெனிக்/குறைந்த வெப்பநிலை குளிரூட்டலுடன் இணைக்கப்படுகிறது. இந்த குளிரூட்டும் செயல்முறைக்கு அதிகப்படியான ஆற்றல் தேவைப்படுகிறது மற்றும் திரவ ஹீலியம் மிகவும் விலை உயர்ந்தது மட்டுமல்ல, புதுப்பிக்க முடியாதது. எனவே, பெரும்பாலான வழக்கமான அல்லது "குறைந்த வெப்பநிலை" சூப்பர் கண்டக்டர்கள் திறமையற்றவை, அவற்றின் வரம்புகள், பொருளாதாரமற்றவை, விலை உயர்ந்தவை மற்றும் பெரிய அளவிலான பயன்பாட்டிற்கு நடைமுறைக்கு மாறானவை.

உயர் வெப்பநிலை சூப்பர் கண்டக்டர்கள்

1980 களின் நடுப்பகுதியில் -238 டிகிரி செல்சியஸில் சூப்பர் கண்டக்ட் செய்யக்கூடிய ஒரு காப்பர் ஆக்சைடு கலவை கண்டுபிடிக்கப்பட்டபோது சூப்பர் கண்டக்டர்களின் புலம் ஒரு பெரிய பாய்ச்சலை எடுத்தது. இது இன்னும் குளிராக இருக்கிறது, ஆனால் திரவ ஹீலியம் வெப்பநிலையை விட மிகவும் வெப்பமானது. இது இதுவரை கண்டுபிடிக்கப்பட்ட முதல் "உயர்-வெப்பநிலை சூப்பர் கண்டக்டர்" (HTC) என்று அறியப்பட்டது, இது நோபல் பரிசை வென்றது, இருப்பினும் அதன் "உயர்வானது" ஒரு பெரிய ஒப்பீட்டு அர்த்தத்தில் மட்டுமே. எனவே, இறுதியில் அவை வேலை செய்யும் சூப்பர் கண்டக்டர்களைக் கண்டுபிடிப்பதில் கவனம் செலுத்த முடியும் என்று விஞ்ஞானிகளுக்குத் தோன்றியது, திரவ நைட்ரஜனுடன் (-196 ° C) பிளஸ் இருப்பதால், அது நிறைய கிடைக்கிறது மற்றும் மலிவானது. மிக அதிக காந்தப்புலங்கள் தேவைப்படும் உயர் வெப்பநிலை சூப்பர் கண்டக்டர்களும் பயன்பாடுகளைக் கொண்டுள்ளன. அவற்றின் குறைந்த-டெம்ப் சகாக்கள் சுமார் 23 டெஸ்லாக்களில் வேலை செய்வதை நிறுத்துகின்றன (டெஸ்லா என்பது காந்தப்புல வலிமையின் ஒரு அலகு) எனவே அவற்றை அதிக வலிமையான காந்தங்களை உருவாக்கப் பயன்படுத்த முடியாது. ஆனால் உயர் வெப்பநிலை சூப்பர் கண்டக்டிங் பொருட்கள் இரண்டு மடங்குக்கும் அதிகமான புலத்தில் வேலை செய்ய முடியும், மேலும் அதிகமாக இருக்கலாம். சூப்பர் கண்டக்டர்கள் பெரிய காந்தப்புலங்களை உருவாக்குவதால், அவை ஸ்கேனர்கள் மற்றும் லெவிட்டிங் ரயில்களில் இன்றியமையாத அங்கமாகும். எடுத்துக்காட்டாக, MRI இன்று (காந்த அதிர்வு இமேஜிங்) என்பது ஒரு நுட்பமாகும், இது உடலில் உள்ள பொருட்கள், நோய் மற்றும் சிக்கலான மூலக்கூறுகளைப் பார்க்கவும் ஆய்வு செய்யவும் இந்தத் தரத்தைப் பயன்படுத்துகிறது. மற்ற பயன்பாடுகளில் ஆற்றல்-திறனுள்ள மின் இணைப்புகள் (உதாரணமாக, சூப்பர் கண்டக்டிங் கேபிள்கள் அதே அளவிலான கூப்பர் கம்பிகளை விட 10 மடங்கு அதிக சக்தியை வழங்க முடியும்), காற்றாலை மின் உற்பத்தியாளர்கள் மற்றும் சூப்பர் கம்ப்யூட்டர்கள். மில்லியன் கணக்கான ஆண்டுகளுக்கு ஆற்றலை சூப்பர் கண்டக்டர்கள் மூலம் உருவாக்க முடியும்.

தற்போதைய உயர் வெப்பநிலை சூப்பர் கண்டக்டர்களுக்கு அவற்றின் சொந்த வரம்புகள் மற்றும் சவால்கள் உள்ளன. குளிரூட்டும் சாதனம் தேவைப்படுவதால் மிகவும் விலை உயர்ந்தது தவிர, இந்த சூப்பர் கண்டக்டர்கள் உடையக்கூடிய பொருட்களால் ஆனவை மற்றும் வடிவமைக்க எளிதானது அல்ல, இதனால் மின் கம்பிகளை உருவாக்க பயன்படுத்த முடியாது. பொருள் சில சூழல்களில் வேதியியல் ரீதியாக நிலையற்றதாகவும், வளிமண்டலம் மற்றும் நீரிலிருந்து வரும் அசுத்தங்களுக்கு மிகவும் உணர்திறன் உடையதாகவும் இருக்கலாம், எனவே அது பொதுவாக இணைக்கப்பட வேண்டும். சூப்பர் கண்டக்டிங் பொருட்கள் கொண்டு செல்லக்கூடிய அதிகபட்ச மின்னோட்டம் மட்டுமே உள்ளது மற்றும் ஒரு முக்கியமான மின்னோட்ட அடர்த்திக்கு மேல், சூப்பர் கண்டக்டிவிட்டி உடைந்து மின்னோட்டத்தைக் கட்டுப்படுத்துகிறது. குறிப்பாக வளரும் நாடுகளில் நல்ல சூப்பர் கண்டக்டர்களின் பயன்பாட்டிற்கு பெரும் செலவுகள் மற்றும் நடைமுறைச் சாத்தியமின்மைகள் தடையாக உள்ளன. பொறியாளர்கள், அவர்களின் கற்பனையில், ஒரு மென்மையான, இணக்கமான, ஃபெரோமேக்னடிக் சூப்பர் கண்டக்டரை விரும்புகிறார்கள், இது அசுத்தங்கள் அல்லது பயன்பாட்டு மின்னோட்டம் மற்றும் காந்தப்புலங்களுக்கு ஊடுருவாது. கேட்பதற்கு அதிகம்!

கிராபீனாக இருக்கலாம்!

ஒரு வெற்றிகரமான சூப்பர் கண்டக்டரின் மைய அளவுகோல் அதிக வெப்பநிலையைக் கண்டறிவதாகும் சூப்பர் கண்டக்டோr, சிறந்த காட்சி அறை வெப்பநிலை. இருப்பினும், புதிய பொருட்கள் இன்னும் குறைவாகவே உள்ளன மற்றும் தயாரிப்பது மிகவும் சவாலானது. இந்த உயர்-வெப்பநிலை சூப்பர் கண்டக்டர்கள் கடைப்பிடிக்கும் சரியான வழிமுறை மற்றும் நடைமுறையில் இருக்கும் ஒரு புதிய வடிவமைப்பை விஞ்ஞானிகள் எவ்வாறு அடைய முடியும் என்பது பற்றி இந்தத் துறையில் தொடர்ந்து கற்றல் உள்ளது. உயர்-வெப்பநிலை சூப்பர் கண்டக்டர்களில் உள்ள சவாலான அம்சங்களில் ஒன்று, ஒரு பொருளில் உள்ள எலக்ட்ரான்களை இணைப்பதற்கு உண்மையில் எது உதவுகிறது என்பது மிகவும் சரியாகப் புரிந்து கொள்ளப்படவில்லை. ஒரு சமீபத்திய ஆய்வில் அது முதல் முறையாக பொருள் காட்டப்பட்டுள்ளது கிராபெனின் உள்ளார்ந்த சூப்பர் கண்டக்டிங் தரம் உள்ளது மற்றும் நாம் உண்மையில் ஒரு கிராபெனின் சூப்பர் கண்டக்டரை பொருளின் சொந்த இயற்கை நிலையில் உருவாக்க முடியும். கிராபீன், முற்றிலும் கார்பன் அடிப்படையிலான பொருள், 2004 இல் மட்டுமே கண்டுபிடிக்கப்பட்டது மற்றும் அறியப்பட்ட மிக மெல்லிய பொருளாகும். அறுகோணமாக அமைக்கப்பட்ட கார்பன் அணுக்களைக் கொண்ட ஒவ்வொரு தாளிலும் இது ஒளி மற்றும் நெகிழ்வானது. இது எஃகு விட வலுவானதாகக் காணப்படுகிறது மற்றும் இது தாமிரத்துடன் ஒப்பிடும்போது மிகச் சிறந்த மின் கடத்துத்திறனை வெளிப்படுத்துகிறது. எனவே, இது அனைத்து நம்பிக்கைக்குரிய பண்புகளையும் கொண்ட பல பரிமாண பொருள்.

மாசசூசெட்ஸ் இன்ஸ்டிடியூட் ஆப் டெக்னாலஜி மற்றும் ஹார்வர்ட் யுனிவர்சிட்டி, யுஎஸ்ஏ ஆகியவற்றில் உள்ள இயற்பியலாளர்கள், அவர்களின் படைப்புகள் இரண்டு தாள்களில் வெளியிடப்பட்டுள்ளன^1,2 in இயற்கை, எந்த மின்னோட்டத்தையும் கடந்து செல்ல அனுமதிக்காத ஒரு மின்கடத்தியாகவும், எந்த எதிர்ப்பும் இல்லாமல் மின்னோட்டத்தை கடக்க அனுமதிக்கும் ஒரு சூப்பர் கண்டக்டராகவும் - இரண்டு தீவிர மின் நடத்தைகளைக் காட்ட கிராபெனை மெட்டீரியல் டியூன் செய்ய முடியும் என்று அறிக்கை அளித்துள்ளனர். இரண்டு கிராபெனின் தாள்களின் ஒரு "சூப்பர்லட்டீஸ்" 1.1 டிகிரி "மேஜிக் கோணத்தில்" சிறிது சுழன்று ஒன்றாக அடுக்கி உருவாக்கப்பட்டது. கிராபெனின் தாள்களில் எலக்ட்ரான்களுக்கு இடையே "வலுவான தொடர்புள்ள தொடர்புகளை" தூண்டும் வகையில் இந்த குறிப்பிட்ட மேலடுக்கு அறுகோண தேன்கூடு மாதிரி ஏற்பாடு செய்யப்பட்டது. கிராபெனின் இந்த "மேஜிக் கோணத்தில்" பூஜ்ஜிய எதிர்ப்பில் மின்சாரத்தை நடத்த முடியும் என்பதால் இது நடந்தது, அதே சமயம் வேறு எந்த அடுக்கப்பட்ட ஏற்பாடும் கிராபெனை தனித்தனியாக வைத்திருந்தது மற்றும் அண்டை அடுக்குகளுடன் எந்த தொடர்பும் இல்லை. கிராபெனின் ஒரு உள்ளார்ந்த தரத்தை அதன் சொந்த சூப்பர் நடத்தைக்கு ஏற்றுக்கொள்வதற்கான வழியை அவர்கள் காண்பித்தனர். இது ஏன் மிகவும் பொருத்தமானது, ஏனென்றால், இதே குழு கிராபெனை மற்ற சூப்பர் கண்டக்டிங் உலோகங்களுடன் தொடர்பு கொண்டு கிராபெனின் சூப்பர் கண்டக்டர்களை ஒருங்கிணைத்துள்ளது, இது சில சூப்பர் கண்டக்டிங் நடத்தைகளைப் பெற அனுமதிக்கிறது, ஆனால் கிராபெனால் மட்டும் அடைய முடியவில்லை. கிராபெனின் கடத்துத்திறன் சிறிது காலத்திற்கு முன்பே அறியப்பட்டிருந்தாலும், கிராபெனின் சூப்பர் கண்டக்டிவிட்டியை மாற்றாமல் அல்லது அதில் மற்ற பொருட்களை சேர்க்காமல் அடைவது இதுவே முதல்முறை என்பதால் இது ஒரு அற்புதமான அறிக்கை. ஒரு சூப்பர் கண்டக்டிங் சர்க்யூட்டில் உள்ள சாதனம் மற்றும் கிராபெனால் வெளிப்படுத்தப்படும் சூப்பர் கண்டக்டிவிட்டி புதிய செயல்பாடுகளுடன் மூலக்கூறு மின்னணு சாதனங்களில் இணைக்கப்படலாம்.

இது உயர்-வெப்பநிலை சூப்பர் கண்டக்டர்கள் பற்றிய அனைத்து பேச்சுக்களுக்கும் நம்மைத் திரும்பக் கொண்டுவருகிறது, மேலும் இந்த அமைப்பு இன்னும் 1.7 டிகிரி செல்சியஸ் வரை குளிரூட்டப்பட வேண்டியிருந்தாலும், பெரிய திட்டங்களுக்கு கிராபெனை உற்பத்தி செய்து பயன்படுத்துவது அதன் வழக்கத்திற்கு மாறான சூப்பர் கண்டக்டிவிட்டியை ஆராய்வதன் மூலம் இப்போது அடையக்கூடியதாகத் தெரிகிறது. வழக்கமான சூப்பர் கண்டக்டர்களைப் போலல்லாமல், கிராபெனின் செயல்பாட்டை சூப்பர் கண்டக்டிவிட்டியின் பிரதான கோட்பாட்டால் விளக்க முடியாது. இத்தகைய வழக்கத்திற்கு மாறான செயல்பாடு கப்ரேட்டுகள் எனப்படும் சிக்கலான செப்பு ஆக்சைடுகளில் காணப்படுகிறது, இது 133 டிகிரி செல்சியஸ் வரை மின்சாரத்தை கடத்துவதாக அறியப்படுகிறது, மேலும் பல தசாப்தங்களாக ஆராய்ச்சியின் மையமாக உள்ளது. இருப்பினும், இந்த கப்ரேட்டுகளைப் போலல்லாமல், அடுக்கப்பட்ட கிராபெனின் அமைப்பு மிகவும் எளிமையானது மற்றும் பொருள் நன்றாக புரிந்து கொள்ளப்படுகிறது. இப்போதுதான் கிராபென் ஒரு தூய சூப்பர் கண்டக்டராக கண்டுபிடிக்கப்பட்டுள்ளது, ஆனால் அந்த பொருள் ஏற்கனவே அறியப்பட்ட பல சிறந்த திறன்களைக் கொண்டுள்ளது. இந்த வேலை கிராபெனின் வலுவான பங்கிற்கு வழி வகுக்கிறது மற்றும் சுற்றுச்சூழலுக்கு உகந்த மற்றும் அதிகமான உயர் வெப்பநிலை சூப்பர் கண்டக்டர்களை உருவாக்குகிறது. ஆற்றல் விலையுயர்ந்த குளிரூட்டலின் தேவையை நீக்கி அறை வெப்பநிலையில் திறமையான மற்றும் மிக முக்கியமாக செயல்படும். இது ஆற்றல் பரிமாற்றம், ஆராய்ச்சி காந்தங்கள், மருத்துவ சாதனங்கள் குறிப்பாக ஸ்கேனர்கள் ஆகியவற்றில் புரட்சியை ஏற்படுத்தலாம் மற்றும் நமது வீடுகள் மற்றும் அலுவலகங்களில் ஆற்றல் எவ்வாறு பரவுகிறது என்பதை உண்மையில் மாற்றியமைக்கலாம்.

***

{மேற்கோள் காட்டப்பட்ட ஆதாரங்களின் பட்டியலில் கீழே கொடுக்கப்பட்டுள்ள DOI இணைப்பைக் கிளிக் செய்வதன் மூலம் அசல் ஆய்வுக் கட்டுரையைப் படிக்கலாம்}

ஆதாரம் (ங்கள்)

1. யுவான் சி மற்றும் பலர். 2018. மேஜிக்-ஆங்கிள் கிராபெனின் சூப்பர்லட்டீஸ்களில் பாதி நிரப்புதலுடன் தொடர்புடைய இன்சுலேட்டர் நடத்தை. இயற்கை. https://doi.org/10.1038/nature26154

2. யுவான் சி மற்றும் பலர். 2018. மேஜிக்-ஆங்கிள் கிராபெனின் சூப்பர்லட்டீஸ்களில் வழக்கத்திற்கு மாறான சூப்பர் கண்டக்டிவிட்டி. இயற்கை. https://doi.org/10.1038/nature26160