Superprovodnici mogu da provode električnu struju bez uobičajenog električnog otpora. Zbog toga imaju ogroman značaj za snažne magnete, medicinske uređaje, senzore i pojedine vrste kvantnih računara.
Posebno su zanimljivi materijali debljine svega jednog ili nekoliko slojeva atoma. Njihove osobine mogu se razlikovati od osobina istog materijala u velikom komadu, a mogli bi omogućiti mnogo manje i preciznije elektronske uređaje.
Problem je što su takvi ultratanki superprovodnici izuzetno osetljivi. Čim dođu u kontakt sa vazduhom, kiseonik i vlaga počinju da menjaju njihovu površinu. Materijal može izgubiti osobine pre nego što istraživači stignu da ga ugrade u uređaj.
Tim sa Masačusetskog tehnološkog instituta razvio je način da ultratanki niobijum-diselenid nastaje direktno ispod sloja grafena. Grafen se ponaša kao zaštitni poklopac, sprečava oksidaciju i istovremeno pomaže materijalu da raste ravnomerno preko znatno veće površine.
MIT News je 5. avgusta objavio da je nova metoda omogućila stvaranje stabilnih slojeva veličine čitave poluprovodničke pločice i njihovo uključivanje u mikrotalasno superprovodno kolo. Materijal je sačuvao superprovodna svojstva i nakon izlaganja vazduhu.
Grafen je sloj ugljenika debeo samo jedan atom. Uprkos maloj debljini, veoma je čvrst i hemijski stabilan.
Istraživači su prvo postavili grafen preko podloge od silicijum-dioksida. Između njih je ostao mikroskopski razmak.
Zatim su uvedeni hemijski prekursori iz kojih se formirao niobijum-diselenid. Umesto da raste na otvorenoj površini, materijal se širio u uskom prostoru ispod grafena.
Takav postupak rešava dva problema istovremeno. Superprovodnik je zaštićen od vazduha već u trenutku nastanka, a grafen usmerava formiranje glatkog i povezanog sloja.
Ranije se zaštitni materijal obično postavljao tek nakon što se superprovodnik napravi. Čak i veoma kratko izlaganje vazduhu moglo je ostaviti oštećenja.
Postavljanje zaštite zahtevalo je rad u kontrolisanoj atmosferi i veoma pažljivo rukovanje. Proces je bio teško ponoviti na većim površinama.
Nova metoda više liči na postojeće tehnike proizvodnje poluprovodnika, što je važno ukoliko materijal treba da izađe iz laboratorije.
Veličina uzorka predstavlja presudan faktor. Mnoge zanimljive dvodimenzionalne materijale moguće je dobiti samo u mikroskopskim komadićima.
Takvi primerci dovoljni su za osnovno istraživanje, ali nisu praktični za pravljenje velikog broja identičnih uređaja.
Kada sloj pokriva čitavu pločicu, moguće je istovremeno proizvesti veliki broj kola i senzora. To smanjuje cenu i povećava ponovljivost.
Niobijum-diselenid postaje superprovodan tek pri veoma niskoj temperaturi. Nova metoda ne rešava potrebu za hlađenjem, ali omogućava lakšu integraciju sa drugim delovima kvantnog uređaja.
Materijal je pokazao visoku kinetičku induktivnost. Ova osobina proizlazi iz inercije parova elektrona koji se kreću kroz superprovodnik.
Visoka kinetička induktivnost korisna je za pojedine kvantne bitove, detektore i veoma osetljive mikrotalasne sklopove.
Tanji materijal može pojačati interakcije koje su u debljem sloju slabije. Zbog toga dvodimenzionalni superprovodnici nisu samo smanjene verzije običnih.
Njihova mala debljina omogućava i spajanje sa drugim atomskim slojevima. Slaganjem različitih materijala moguće je praviti strukture sa osobinama koje nijedan pojedinačni sloj nema.
Takvi „sendviči“ mogu kombinovati superprovodnost, magnetizam, optičku aktivnost i druge efekte.
Grafen u ovom slučaju nije samo ambalaža. On učestvuje u načinu rasta i može uticati na elektronske osobine susednog sloja.
Istraživači sada treba da provere koliko je proces ujednačen na još većim pločicama i kako se ponaša tokom dugotrajnog rada.
Važno je utvrditi da li materijal ostaje stabilan posle više ciklusa hlađenja i zagrevanja. Kvantni uređaji često prolaze kroz velike temperaturne promene.
Svaka pukotina ili nečistoća može promeniti rad mikroskopskog kola. Zato proizvodnja mora imati veoma strogu kontrolu kvaliteta.
Nova tehnika ne znači da će kvantni računari uskoro stati u telefon. Za rad superprovodnih sistema i dalje su potrebni složeni rashladni uređaji.
Ipak, minijaturizacija samih kola može pomoći da se veći broj elemenata smesti u isti kriogeni sistem. To je jedan od uslova za razvoj složenijih kvantnih procesora.
Superprovodni detektori koriste se i izvan kvantnog računarstva. Mogu registrovati veoma slabe signale svetlosti, zračenja i magnetnih polja.
Ultratanki, stabilni slojevi mogli bi omogućiti preciznije senzore za astronomiju, medicinsku dijagnostiku i laboratorijsku fiziku.
Najveći napredak često ne dolazi iz otkrića potpuno novog materijala, već iz pronalaženja načina da se poznat materijal pouzdano proizvede.
Niobijum-diselenid je dugo bio zanimljiv naučnicima, ali njegova osetljivost ograničavala je praktičnu upotrebu.
Sloj grafena sada mu omogućava da preživi izvan strogo kontrolisane komore. Materijal debeo svega nekoliko atoma dobio je krov koji je gotovo jednako tanak, ali dovoljno snažan da ga zaštiti od spoljnog sveta.
S.B.
