Rice University forskare har bestämt att tvådimensionell bor är en naturlig lågtemperatursupraledare. Faktiskt, det kan vara det enda 2D-materialet med sådan potential.

Den risteoretiske fysikern Boris Yakobson och hans medarbetare publicerade sina beräkningar som visar att atomärt platt bor är metalliskt och kommer att överföra elektroner utan motstånd. Arbetet visas denna månad i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver .

Haken, som med de flesta supraledande material, är att den förlorar sin resistivitet endast när den är väldigt kall, i detta fall mellan 10 och 20 kelvin (ungefär, minus -430 grader Fahrenheit). Men för att göra mycket små supraledande kretsar, det kan vara det enda spelet i stan.

Det grundläggande fenomenet supraledning har varit känt i mer än 100 år, sa Evgeni Penev, en forskare i Yakobson-gruppen, men hade inte testats för dess närvaro i atomärt platt bor.

"Det är välkänt att materialet är ganska lätt eftersom atommassan är liten, " sa Penev. "Om det också är metalliskt, dessa är två viktiga förutsättningar för supraledning. Det betyder vid låga temperaturer, elektroner kan paras ihop i en slags dans i kristallen."

"Lägre dimensionalitet är också till hjälp, " sa Yakobson. "Det kan vara den enda, eller en av väldigt få, tvådimensionella metaller. Så det är tre faktorer som gav den första motivationen för oss att fortsätta forskningen. Sedan blev vi bara mer och mer exalterade när vi kom in i det."

Elektroner med motsatt momenta och snurr blir effektivt Cooper-par; de attraherar varandra vid låga temperaturer med hjälp av gittervibrationer, de så kallade "fononerna, "och ge materialet dess supraledande egenskaper, sa Penev. "Supraledning blir en manifestation av den makroskopiska vågfunktionen som beskriver hela provet. Det är ett fantastiskt fenomen, " han sa.

Det var inte helt av en slump att det första teoretiska papper som fastställde konduktivitet i ett 2D-material dök upp ungefär samtidigt som de första proverna av materialet gjordes av laboratorier i USA och Kina. Faktiskt, en tidigare tidning från Yakobson-gruppen hade erbjudit en färdplan för att göra det.

Att 2-D bor nu har producerats är bra, enligt Yakobson och huvudförfattarna Penev och Alex Kutana, en postdoktor vid Rice. "Vi har arbetat med att karakterisera bor i flera år, från burkluster till nanorör till hyvelplåtar, men det faktum att dessa tidningar dök upp så nära varandra betyder att dessa labb nu kan testa våra teorier, " sa Yakobson.

"I princip, detta arbete kunde ha gjorts för tre år sedan också, " sa han. "Så varför gjorde vi inte det? Eftersom materialet förblev hypotetiskt; Okej, teoretiskt möjligt, men vi hade ingen bra anledning att dra det för långt.

"Men så i höstas blev det klart från professionella möten och interaktioner att det går att göra. Nu publiceras de där tidningarna. När man tror att det kommer på riktigt, nästa nivå av utforskning blir mer försvarlig, " sa Yakobson.

Boratomer kan skapa mer än ett mönster när de kommer samman som ett 2D-material, en annan egenskap som förutspåtts av Yakobson och hans team som nu har blivit verklighet. Dessa mönster, känd som polymorfer, kan tillåta forskare att justera materialets konduktivitet "bara genom att välja ett selektivt arrangemang av de sexkantiga hålen, sa Penev.

Han noterade också att borets egenskaper antyddes när forskare upptäckte för mer än ett decennium sedan att magnesiumdiborit är en högtemperaturelektron-fonon-supraledare. "Folk insåg för länge sedan att supraledningsförmågan beror på borskiktet, " sade Penev. "Magnesium verkar för att dopa materialet genom att spilla några elektroner i borskiktet. I detta fall, vi behöver dem inte eftersom 2D-boret redan är metalliskt."

Penev föreslog att isolering av 2-D bor mellan lager av inert hexagonal bornitrid (aka "vit grafen") kan hjälpa till att stabilisera dess supraledande natur.

Utan tillgång till ett block av tid på flera stora statliga superdatorer, studien skulle ha tagit mycket längre tid, sa Yakobson. "Alex gjorde det tunga lyftet på beräkningsarbetet, ", sa han. "Att förvandla det från en lunchdiskussion till ett verkligt kvantitativt forskningsresultat tog en mycket stor ansträngning."

Uppsatsen är den första av Yakobsons grupp på ämnet supraledning, även om Penev är en publicerad författare i ämnet. "Jag började arbeta med supraledning 1993, men det har alltid varit en hobby, och jag hade inte gjort något i ämnet på 10 år, "Sade Penev. "Så denna tidning gör det hela cirkeln."