Twisted physics:Magic angle graphene producerer omskiftelige mønstre af superledning

Sidste år, forskere demonstrerede, at snoet to-lags grafen-et materiale lavet af to atom-tynde plader af kulstof med et let twist-kan udvise skiftevis superledende og isolerende områder. Nu, en ny undersøgelse i tidsskriftet Natur af forskere fra Spanien, USA., Kina og Japan viser, at superledning kan slås til eller fra med en lille spændingsændring, øge dets anvendelighed for elektroniske enheder.

"Det er en slags hellig gral af fysik at skabe et materiale, der har superledning ved stuetemperatur, "University of Texas at Austin fysiker Allan MacDonald sagde." Så det er en del af motivationen for dette arbejde:at forstå høj temperatur superledning bedre. "

Opdagelsen er et betydeligt fremskridt i et voksende felt kaldet Twistronics, hvis pionerer omfatter MacDonald og ingeniør Emanuel Tutuc, også fra University of Texas i Austin. Det tog flere års hårdt arbejde af forskere rundt om i verden at vende MacDonalds originale indsigt i materialer med disse mærkelige egenskaber, men det var ventetiden værd.

Finde superledelse på ulige steder

I 2011, MacDonald, en teoretisk fysiker, der bruger kvantematematik og computermodellering til at studere todimensionelle materialer, gjorde en uventet opdagelse. Sammen med Rafi Bistritzer, en postdoktor, han arbejdede på at bygge enkle, men nøjagtige modeller af, hvordan elektroner opfører sig i stablede 2-D materialer-materialer, et atom tykt-når et lag er let snoet i forhold til de andre. Det tilsyneladende uberegnelige problem, MacDonald troede, kunne forenkles i høj grad ved at fokusere på en nøgleparameter i systemet.

Den strategi, MacDonald og Bistritzer anvendte, viste sig at være vellykket. Overraskelsen kom senere. Da de anvendte deres metode til snoet to -lags grafen, et system bestående af to lag carbonatomer, de fandt ud af, at elektronerne i en meget specifik vinkel på omkring 1,1 grader - som de kaldte "den magiske vinkel" - opførte sig på en mærkelig og ekstraordinær måde, pludselig bevæger sig mere end 100 gange langsommere.

Hvorfor det var tilfældet, og hvad det ville betyde for videnskaben ville tage år at opdage.

På kort sigt, fundet blev stort set ignoreret eller afvist. Resultatet virkede for usædvanligt til at tro. I øvrigt, det var ikke indlysende at skabe et fysisk eksempel på et sådant system, med en så præcis placering af de todimensionale ark, var fysisk opnåelig.

Men ikke alle var vantro eller skræmt over resultaterne. Et par eksperimenter rundt om i verden noterede sig den forudsigelse, der blev offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences og valgte at forfølge den "magiske vinkel". Når i 2018, for første gang, fysikere ved Massachusetts Institute of Technology skabte et system af lagdelt grafen snoet med 1,1 grader, de fandt, som MacDonald havde forudsagt, at den udviste bemærkelsesværdige egenskaber - især superledning ved en overraskende høj temperatur.

"Der er ingen enkel forklaring på, hvorfor elektroner pludselig bremser, "Sagde MacDonald." Takket være det seneste arbejde af teoretikere ved Harvard, der er nu en delvis forklaring relateret til modeller, der ofte studeres i elementær partikelfysik. Men der er nu en hel verden af ​​relaterede effekter i forskellige lag 2-D materialer. Twisted bilayer graphene er bare et kig ind i en del af det. "

Superledende materialer har ingen elektrisk modstand, tillader elektroner at rejse uendeligt uden at sprede energi. De bruges i kvanteberegning og kan være game changers til elektrisk transmission, hvis de ikke krævede dyr køling.

Først opdaget i 1911, superledning er blevet dokumenteret i en række materialer. Imidlertid, de kræver alle ekstremt lave temperaturer for at bevare deres særpræg. Fremkomsten af ​​stablede 2-D-materialer kan ændre dette.

Opdagelsen af ​​supraledning i snoet to -lags grafen har siden givet brændstof til et blomstrende underfelt med et iørefaldende navn - Twistronics - og et hastværk med at udvikle teknologien yderligere.

Et årti med dedikeret undersøgelse

Lige siden opdagelsen af ​​grafen af ​​Andre Geim og Konstantin Novoselov ved University of Manchester i 2004 (hvilket i sidste ende førte til en Nobelpris i fysik i 2010), MacDonald har været fascineret af disse mærkelige, todimensionelle systemer og den nye fysik, de kan indeholde.

Han begyndte at studere materialet næsten med det samme, og siden 2004, har brugt supercomputere på Texas Advanced Computing Center (TACC) til at undersøge den elektroniske struktur af grafen og andre 2-D-materialer.

"Mit arbejde handler om at forudsige usædvanlige fænomener, der ikke er set før, eller forsøger at forstå fænomener, der ikke er godt forstået, "Sagde MacDonald." Jeg er tiltrukket af teori, der forbinder direkte med ting, der rent faktisk sker, og jeg er interesseret i matematik og teoris magt til at beskrive den virkelige verden. "

De mærkelige egenskaber ved lagdelt 2-D-materialer synes at vedrøre interaktioner, som bliver meget mere afgørende, når elektroner bremser, inducerer stærke korrelationer mellem individuelle elektroner. Typisk, elektroner cirkler næsten separat omkring kernen i atomorbitaler, bosætter sig i kvantetilstande med de lavest tilgængelige energier. Dette ser ikke ud til at være tilfældet i magisk vinkelgrafen.

"I bund og grund, intet meget interessant kan ske, når elektronerne organiserer sig som de gør i et atom ved at indtage de laveste energiorbitaler, "Sagde MacDonald." Men når deres skæbne først er bestemt af interaktioner mellem elektronerne, så kan der ske interessante ting. "

Hvordan går man overhovedet til at studere, hvad der sker i lagdelt 2-D-systemer-kendt, teknisk set, som van der Waals heterostrukturer? "At se" elektroner i bevægelse er næsten umuligt. Målinger giver spor, men resultaterne er skrå og ofte modstridende. Computermodeller, MacDonald mener, kan hjælpe med at tilføje det nye billede af begrænsede elektroner.

Computermodeller, der repræsenterer klassisk elektronisk struktur, er veludviklede og meget præcise i de fleste tilfælde, men de skal justeres i lyset af heterojunctions mærkelige fysik.

Ændring af disse faktorer betyder omskrivning af den herskende model til at afspejle adfærden hos stærkt interagerende elektroner, en opgave, som MacDonald og forskere i hans laboratorium i øjeblikket arbejder på, ved hjælp af TACC's Stampede2 -supercomputer - en af ​​de mest magtfulde i verden - til at teste modeller og køre simuleringer. I øvrigt, stadigt større antal elektroner skal medtages for nøjagtigt at replikere de resultater, der kommer fra laboratorier rundt om i verden.

"Det virkelige system har milliarder af elektroner, "Forklarede MacDonald." Når du øger antallet af elektroner, du hurtigt overskrider evnen til enhver computer. Så, en af ​​de metoder, vi bruger, i arbejde ledet af Pawel Potasz - en gæst fra Polen - er at løse det elektroniske problem for et lille antal elektroner og ekstrapolere adfærden til et stort antal. "

Anvendelse af teori på aldrig før sete systemer

Mens jeg arbejder på at redesigne elektroniske strukturmodeller og skalere dem til et stadig større antal elektroner, MacDonald finder stadig tid til at samarbejde med eksperimentelle grupper rundt om i verden, tilføjer sin teoretiske og beregningsmæssige indsigt til deres fund.

I årevis efter opdagelsen af ​​den magiske vinkel, praktiske vanskeligheder med at skabe rene former for lagdelt 2-D materialer med præcise rotationsvinkler begrænsede feltet. Men i 2016, en anden UT -forsker, Emanuel Tutuc, og hans kandidatstuderende, Kyounghwan Kim, udviklet en pålidelig metode til oprettelse af sådanne systemer, ikke kun ved hjælp af grafen, men af ​​en række forskellige 2-D materialer.

"Gennembruddet var virkelig en teknik, som min elev introducerede, som består i at tage et stort lag, dele det i to og tage det ene segment og lægge det oven på det andet, "Sagde Tutuc.

Årsagen, der ikke var blevet implementeret før, er, at det er meget svært at samle et stykke atom-tykt materiale i mikronstørrelse op. Kim opfandt en sticky, halvkuglehåndtag, der kan løfte en individuel flage, forlader alt andet i sin nærhed intakt.

"Når det var gjort, mulighederne blev uendelige, "fortsatte han." Ikke længe efter, den samme elev sagde, 'OKAY, nu hvor vi kan justere dem med den virkelig høje nøjagtighed, lad os gå videre og vride dem. ' Så det var det næste trin. "

I de seneste år, MacDonald og hans team har undersøgt stakke af tre, fire eller fem lag grafen, samt andre lovende materialer, især overgangsmetalchalcogenider, søger efter usædvanlige - og potentielt nyttige - fænomener.

Skriver ind Natur i februar 2019, MacDonald, Tutuc, UT Austin fysiker Elaine Li, og et stort internationalt team beskrev observation af indirekte excitoner i et molybdæn -diselenid/wolfram -diselenid (MoSe2/WSe2) heterobillag med en lille vridningsvinkel.

Excitons er kvasipartikler, der består af en elektron og et hul, der tiltrækker og holder hinanden på plads. Disse findes normalt inden for et enkelt lag. Imidlertid, med visse 2-D materialer, det er muligt for dem at eksistere på forskellige lag, hvilket i høj grad øger den tid, de eksisterer. Dette kan muliggøre overflødighed, den uhindrede strøm af væsker - en egenskab, der tidligere kun var set i flydende helium.

Nu, MacDonald og et team fra Spanien, Kina og Japan har offentliggjort en undersøgelse i Natur af magisk vinkelgrafen, der viste materialet, kan udvise skiftevis superledende og isolerende faser, der kan tændes eller slukkes med en lille spændingsændring, ligner de spændinger, der bruges i integrerede kredsløb, øge dets anvendelighed for elektroniske enheder. For at opnå dette resultat, teammedlemmer fra det catalanske institut for optisk fysik producerede grafen -supergitter med mere ensartede vendinger end tidligere muligt. Ved at gøre sådan, de opdagede, at mønsteret af sammenflettede isolerende og superledende tilstande er endnu mere indviklet end forudsagt.

TACC -supercomputere er et kritisk værktøj i MacDonalds forskning og blev brugt til den teoretiske modellering af dataene i de seneste Natur papir.

"Mange af de ting, vi gør, vi kunne ikke undvære en højtydende computer, "hævdede han." Vi starter med at køre på et skrivebord, og så går vi hurtigt i stå. Så meget ofte, at bruge en supercomputer er forskellen mellem at kunne få et tilfredsstillende svar og ikke at kunne få et tilfredsstillende svar. "

Selvom resultaterne af beregningseksperimenter kan virke mindre umiddelbare eller "rigtige" end dem i et laboratorium, som MacDonald har vist, resultaterne kan afsløre nye muligheder for udforskning og hjælpe med at belyse universets mysterier.

"Det, der har givet energi til mit arbejde, er, at naturen altid stiller nye problemer. Og når du stiller en ny type spørgsmål, du ved ikke på forhånd, hvad svaret er, "Sagde MacDonald." Forskning er et eventyr, et fællesskabseventyr, en kollektiv tilfældig gåtur, hvorved viden bevæger sig fremad. "