Eksperimenter udforsker mysterierne ved magiske vinkel -superledere

I foråret 2018, den overraskende opdagelse af superledning i et nyt materiale satte det videnskabelige samfund i stå. Bygget ved at lægge et carbonlag oven på et andet og vride det øverste i en "magisk" vinkel, materialet gjorde det muligt for elektroner at flyde uden modstand, en egenskab, der dramatisk kan øge energieffektiv kraftoverførsel og indlede et væld af nye teknologier.

Nu, nye eksperimenter udført på Princeton giver antydninger til, hvordan dette materiale-kendt som magisk vinkel-snoet grafen-giver anledning til superledning. I denne uges nummer af tidsskriftet Natur , Princeton -forskere giver et solidt bevis på, at den superledende adfærd skyldes stærke vekselvirkninger mellem elektroner, giver indsigt i de regler, elektroner følger, når supraledelse dukker op.

"Dette er et af de hotteste emner i fysik, "sagde Ali Yazdani, klassen i 1909 professor i fysik og seniorforfatter af undersøgelsen. "Dette er et materiale, der er utroligt enkelt, bare to ark kulstof, som du klæber det ene oven på det andet, og det viser superledning. "

Præcis hvordan superledelse opstår er et mysterium, som laboratorier rundt om i verden kører efter at løse. Feltet har endda et navn, "twistronics."

En del af spændingen er, at sammenlignet med eksisterende superledere, materialet er ganske let at studere, da det kun har to lag og kun en type atom - kulstof.

"Det vigtigste ved dette nye materiale er, at det er en legeplads for alle disse former for fysik, som folk har tænkt på i de sidste 40 år, "sagde B. Andrei Bernevig, en professor i fysik med speciale i teorier til at forklare komplekse materialer.

Superledningen i det nye materiale ser ud til at fungere ved en fundamentalt anderledes mekanisme end traditionelle superledere, som i dag bruges i kraftige magneter og andre begrænsede applikationer. Dette nye materiale har ligheder med kobberbaseret, Højtemperatur superledere opdaget i 1980'erne kaldet cuprates. Opdagelsen af ​​cuprates førte til Nobelprisen i fysik i 1987.

Det nye materiale består af to atom tynde plader af kulstof kendt som grafen. Også emnet for en Nobelpris i fysik, i 2010, grafen har et fladt bikagemønster, som et stykke kyllingetråd. I marts 2018, Pablo Jarillo-Herrero og hans team ved Massachusetts Institute of Technology placerede et andet lag grafen oven på det første, drejede derefter det øverste ark med den "magiske" vinkel på cirka 1,1 grader. Denne vinkel var tidligere forudsagt af fysikere at forårsage nye elektroninteraktioner, men det kom som et chok, da MIT -forskere demonstrerede superledning.

Set ovenfra, de overlappende kyllingetrådsmønstre giver en flimrende effekt kendt som "moiré, "som opstår, når to geometrisk regelmæssige mønstre overlapper hinanden, og som engang var populær i stofferne og moderne fra kongelige fra det 17. og 18. århundrede.

Disse moiré -mønstre giver anledning til helt nye egenskaber, der ikke ses i almindelige materialer. De fleste almindelige materialer falder i et spektrum fra isolerende til ledende. Isolatorer fanger elektroner i energilommer eller niveauer, der holder dem fast på plads, mens metaller indeholder energitilstande, der tillader elektroner at flitte fra atom til atom. I begge tilfælde, elektroner optager forskellige energiniveauer og interagerer ikke eller deltager ikke i kollektiv adfærd.

I snoet grafen, imidlertid, moiré -gitterets fysiske struktur skaber energitilstande, der forhindrer elektroner i at stå fra hinanden, tvinger dem til at interagere. "Det skaber en tilstand, hvor elektronerne ikke kan komme af vejen for hinanden, og i stedet skal de alle have samme energiniveau, som er i topklasse for at skabe stærkt sammenfiltrede stater, "Sagde Yazdani.

Det spørgsmål, forskerne stillede, var, om denne sammenfiltring har nogen forbindelse med dens superledning. Mange simple metaller også superledende, men alle de høje temperaturer superledere opdaget til dato, inklusive cupraterne, viser meget sammenfiltrede tilstande forårsaget af gensidig frastødning mellem elektroner. Det stærke samspil mellem elektroner ser ud til at være en nøgle til at opnå en højere temperatur superledning.

For at løse dette spørgsmål, Princeton -forskere brugte et scannende tunnelmikroskop, der er så følsomt, at det kan forestille individuelle atomer på en overflade. Teamet scannede prøver af tryllet grafisk vridet grafen, hvor de kontrollerede antallet af elektroner ved at anvende en spænding til en nærliggende elektrode. Undersøgelsen gav mikroskopiske oplysninger om elektronadfærd i snoet to -lags grafen, der henviser til, at de fleste andre undersøgelser til dato kun har overvåget makroskopisk elektrisk ledning.

Ved at ringe antallet af elektroner til meget lave eller meget høje koncentrationer, forskerne observerede elektroner, der opførte sig næsten uafhængigt, som de ville i simple metaller. Imidlertid, ved den kritiske koncentration af elektroner, hvor superledning blev opdaget i dette system, elektronerne viste pludselig tegn på stærk interaktion og sammenfiltring.

I den koncentration, hvor superledelse fremkom, teamet fandt ud af, at elektronenerginiveauet blev uventet bredt, signaler, der bekræfter stærk interaktion og sammenfiltring. Stadig, Bernevig understregede, at mens disse eksperimenter åbner døren for yderligere undersøgelser, mere arbejde skal udføres for detaljeret at forstå den type sammenfiltring, der opstår.

"Der er stadig så meget, vi ikke ved om disse systemer, "sagde han." Vi er ikke i nærheden af ​​selv at skrabe overfladen af ​​det, der kan læres gennem eksperimenter og teoretisk modellering. "

Bidragydere til undersøgelsen omfattede Kenji Watanabe og Takashi Taniguchi fra National Institute for Material Science i Japan; kandidatstuderende og første forfatter Yonglong Xie, postdoktor Berthold Jäck, postdoktoral forskningsassistent Xiaomeng Liu, og kandidatstuderende Cheng-Li Chiu i Yazdanis forskningsgruppe; og Biao Lian i Bernevigs forskningsgruppe.