Το γραφένιο και τα σωμάτια Majorana

Τα σωμάτια Majorana είναι κάτι σπάνιο στη φυσική. Αντίθετα από τα άλλα φερμιόνια, τα ίδια είναι και αντισωμάτια του εαυτού τους. Σε χαμηλών διαστάσεων συστήματα, αυτά αναμένεται επίσης να αναδύονται ως οιονεί σωμάτια μηδενικής ενέργειας που ονομάζονται μηδενικές καταστάσεις Majorana, τα οποία έχουν μια ασυνήθιστη ιδιότητα: η ανταλλαγή δύο τέτοιων σωματίων αλλάζει την κοινή κβαντική κατάσταση τους κατά ένα τρόπο που εξαρτάται από τη σειρά με την οποία έγινε η ανταλλαγή.

Αυτή η ιδιότητα θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για να κατασκευαστούν οι στοιχειώδεις μονάδες ενός ανεκτικού σε σφάλματα, τοπολογικού κβαντικού υπολογιστή. Ο Pablo San-Jose από το Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών (CSIC) στη Μαδρίτη και οι συνεργάτες του, έχουν ήδη υποβάλει πρόταση για την παρατήρηση αυτών των οιονεί σωματίων στο γραφένιο, μια πάχους ενός ατόμου μορφή άνθρακα, γνωστό για την υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητά του.

Προηγουμένως, διάφορες ομάδες έχουν αναφέρει πειραματικές αποδείξεις των μηδενικών καταστάσεων Majorana σε μια ποικιλία συστημάτων στερεάς κατάστασης, που περιλαμβάνει ημιαγώγιμα νανοσύρματα και ατομικές αλυσίδες.

Αλλά τα στοιχεία δεν είναι ακλόνητα. Έτσι, οι ερευνητές ψάχνουν για εναλλακτικά υλικά φιλοξενίας για να ανιχνεύσουν αδιαμφισβήτητες υπογραφές αυτών των καταστάσεων. Ο San-Jose και οι συνεργάτες του υποδείχνουν πώς φέρνοντας σε επαφή ένα συμβατικό υπεραγωγό με ένα δείγμα γραφενίου, θα μπορούσε να δημιουργηθούν μηδενικές καταστάσεις Majorana στο εσωτερικό του δείγματος, υπό την προϋπόθεση ότι γραφένιο είναι σε μια μαγνητική φάση που ονομάζεται κεκλιμένος αντισιδηρομαγνητισμός.

Τέτοιος μαγνητισμός παράγει μια ισχυρά αποτελεσματική σύζευξη μεταξύ των σπιν των ηλεκτρονίων του υλικού φιλοξενίας και της ορμή τους, ένα αποτέλεσμα που διαφορετικά θα ήταν αμελητέο στο γραφενίου και είναι στην καρδιά των περισσότερων άλλων προτάσεων Majorana.

Η ομάδα πιστεύει ότι η πρότασή τους θα μπορούσε σύντομα να ελεγχθεί στο εργαστήριο με τη μέτρηση χαρακτηριστικών λειτουργιών Majorana στο ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει από μια μεταλλική επαφή σε ένα δείγμα γραφενίου.

Πηγή: http://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.5.041042

Νέα μορφή άνθρακα, πιο σκληρή από διαμάντι

Ράλει, Βόρεια Καρολίνα, Τι συμβαίνει αν βομβαρδίσουμε άτομα άνθρακα με έναν παλμό ακτινοβολίας λέιζερ για 200 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου; Ο άμορφος άνθρακας μετατρέπεται σε «άνθρακα Q», μια νέα μορφή κρυσταλλικού άνθρακα που είναι σκληρότερη από το διαμάντι και παρουσιάζει μια πληθώρα ασυνήθιστων -και υποσχόμενων- ιδιοτήτων.

Δημιουργήσαμε μια νέα στερεά φάση του άνθρακα», η οποία έρχεται να προστεθεί στις γνώριμες στερεές φάσεις του διαμαντιού και του γραφίτη, καμαρώνει ο Τζέι Ναράιαν, καθηγητής Επιστήμης Υλικών στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Βορείου Καρολίνας.

Στη φύση, εκτιμά η ερευνητική ομάδα, ο άνθρακας Q μπορεί να σχηματίζεται μόνο σε συνθήκες ακραίας πίεσης και θερμοκρασίας. Το μόνο μέρος όπου ενδέχεται να υπάρχει στον φυσικό κόσμο είναι ίσως οι πυρήνες ορισμένων πλανητών» λέει ο Ναράιαν.

Ο άνθρακας Q έχει ασυνήθιστα χαρακτηριστικά. Είναι για παράδειγμα μαγνητικό, σε αντίθεση με άλλες μορφές στερεού άνθρακα. Δεν πιστεύαμε καν ότι αυτό είναι δυνατόν» σχολίασε ο Ναράιαν, επικεφαλής της μελέτης.

Επιπλέον, ο άνθρακας Q είναι πιο σκληρός από το διαμάντι -το σκληρότερο υλικό που γνωρίζουμε στη φύση- και λάμπει όταν δεχθεί ακόμα και χαμηλές δόσεις ενέργειας. «Η αντοχή και το χαμηλό έργο εξόδου του άνθρακα Q, δηλαδή η προθυμία του να απελευθερώνει ηλεκτρόνια, τον καθιστούν άκρως υποσχόμενο για την ανάπτυξη ηλεκτρονικών οθονών σύγχρονης τεχνολογίας» εξηγεί ο Ναράιαν.

Για να δημιουργήσουν το νέο υλικό, οι ερευνητές καλύπτουν ένα υπόστρωμα από γυαλί ή πλαστικό με άμορφο άνθρακα -στοιχειακό άνθρακα του οποίου τα άτομα δεν έχουν συγκεκριμένη διάταξη όπως συμβαίνει στους κρυστάλλους. Ο άμορφος άνθρακας δέχεται στη συνέχεια έναν παλμό λέιζερ που διαρκεί μόλις 200 nanosecond, οπότε θερμαίνεται σχεδόν ακαριαία στους 3.700 βαθμούς Κελσίου και μετά ψύχεται απότομα. Όλη αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται σε θερμοκρασία δωματίου και σε πίεση μίας μόνο ατμόσφαιρας.

Το τελικό αποτέλεσμα είναι ένα φύλλο άνθρακα Q με πάχος από 20 έως 500 νανόμετρα ή δισεκατομμυριοστά του μέτρου.

Επιπλέον, μια παραλλαγή της ίδιας διαδικασίας μπορεί να μετατρέπει τον άνθρακα Q σε διαμάντι: ανάλογα με το υπόστρωμα και τη διάρκεια του παλμού λέιζερ, οι ερευνητές μπορούν να ελέγχουν το ρυθμό ψύξης του άνθρακα Q, έτσι ώστε ένα μέρος του να μετατραπεί σε μικροσκοπικό διαμάντι.

Μπορούμε να δημιουργήσουμε διαμαντένιες νανοβελόνες, νανοκουκίδες ή μεμβράνες διαμαντιού, υλικά που μπορούν να βρουν εφαρμογή στη χορήγηση φαρμάκων, σε βιομηχανικές διαδικασίες και στη δημιουργία διακοπτών και ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες» διαβεβαιώνει ο Ναράιαν.

Αν όμως ο άνθρακας Q είναι σκληρότερος από διαμάντι, γιατί θα ήθελε κανείς να τον μετατρέψει σε διαμάντι; Ο λόγος είναι ότι οι ερευνητές δεν έχουν μελετήσει επαρκώς το νέο υλικό, ενώ αντίθετα το διαμάντι έχει μελετηθεί σε βάθος και έχει σήμερα μεγάλο εύρος πρακτικών εφαρμογών.

Δεν γνωρίζουμε ακόμα πως να κατασκευάσουμε νανοκουκίδες ή νανοβελόνες από άνθρακα Q. Είναι κάτι που προσπαθούμε» παραδέχεται ο ερευνητής.

Ευελπιστώντας στην αξιοποίηση του νέου υλικού σε μεγάλη κλίμακα, το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Βορείου Καρολίνας έχει υποβάλει δύο αιτήσεις για διπλώματα ευρεσιτεχνίας.

Η ανακάλυψη του άνθρακα Q περιγράφεται σε δύο μελέτες της ίδιας ερευνητικής ομάδας, μία στην επιθεώρηση APL Materials και άλλη μία στο Journal of Applied Physics.

Πηγή: http://news.in.gr/science-technology/article/?aid=1500043251