Cascade sætter scenen for supraledning i magisk vinkel snoet to-lags grafen

Placer et enkelt ark kulstof oven på et andet i en lille vinkel, og bemærkelsesværdige egenskaber fremkommer, inklusive den højt værdsatte modstandsfri strømning kendt som superledning.

Nu har et team af forskere ved Princeton ledt efter oprindelsen til denne usædvanlige adfærd i et materiale kendt som magisk vinkel snoet to-lags grafen, og detekterede signaturer af en kaskade af energiovergange, der kunne hjælpe med at forklare, hvordan superledning opstår i dette materiale. Papiret blev offentliggjort online den 11. juni i tidsskriftet Natur .

"Denne undersøgelse viser, at elektronerne i magisk vinkel grafen er i en meget korreleret tilstand, selv før materialet bliver superledende, " sagde Ali Yazdani, Klasse af 1909 professor i fysik, lederen af ​​det team, der gjorde opdagelsen. "Det pludselige energiskifte, når vi tilføjer eller fjerner en elektron i dette eksperiment, giver en direkte måling af styrken af ​​interaktionen mellem elektronerne."

Dette er signifikant, fordi disse energihop giver et vindue ind i elektronernes kollektive adfærd, såsom superledning, der opstår i magisk vinkel snoet dobbeltlags grafen, et materiale, der er sammensat af to lag grafen, hvori det øverste ark er roteret i en lille vinkel i forhold til det andet.

I hverdagens metaller, elektroner kan bevæge sig frit gennem materialet, men kollisioner mellem elektroner og fra vibrationer af atomer giver anledning til modstand og tab af noget elektrisk energi som varme - hvilket er grunden til, at elektroniske enheder bliver varme under brug.

I superledende materialer, elektroner samarbejder. "Elektronerne danser på en måde med hinanden, " sagde Biao Lian, en postdoktoral forskningsassistent i Princeton Center for Teoretisk Videnskab, der bliver adjunkt i fysik til efteråret, og en af ​​de første forfattere af undersøgelsen. "De er nødt til at samarbejde for at gå ind i sådan en bemærkelsesværdig tilstand."

Ved nogle foranstaltninger, magisk vinkel grafen, opdaget for to år siden af ​​Pablo Jarillo-Herrero og hans team ved Massachusetts Institute of Technology (MIT), er en af ​​de stærkeste superledere, der nogensinde er opdaget. Superledningsevne er relativt robust i dette system, selvom det forekommer, når der er meget få elektroner i bevægelse.

Forskerne satte sig for at udforske, hvordan den unikke krystalstruktur af magisk vinkelgrafen muliggør kollektiv adfærd. Elektroner har ikke kun en negativ ladning, men også to andre karakteristika:vinkelmoment eller "spin, " og mulige bevægelser i krystalstrukturen kendt som "daltilstande". Kombinationer af spin og dal udgør de forskellige "smag" af elektroner.

Teamet ønskede især at vide, hvordan disse varianter påvirker kollektiv adfærd, så de udførte deres eksperimenter ved temperaturer lige lidt over det punkt, hvor elektronerne bliver stærkt interagerende, som forskerne sammenlignede med adfærdens forældrefase.

"Vi målte kraften mellem elektronerne i materialet ved højere temperaturer i håb om, at forståelsen af ​​denne kraft vil hjælpe os med at forstå superlederen, som den bliver ved lavere temperaturer, "sagde Dillon Wong, en postdoktor i Princeton Center for Complex Materials og en co-first forfatter.

De brugte et værktøj kaldet et scanning tunneling mikroskop, hvor en ledende metalspids kan tilføje eller fjerne en elektron fra magisk vinkelgrafen og detektere den resulterende energitilstand for den elektron.

Fordi stærkt interagerende elektroner modstår tilføjelsen af ​​en ny elektron, det koster noget energi at tilføje den ekstra elektron. Forskerne kan måle denne energi og deraf bestemme styrken af ​​interaktionskraften.

"Jeg putter bogstaveligt talt en elektron i og ser, hvor meget energi det koster at skubbe denne elektron ind i det kooperative bad, " sagde Kevin Nuckolls, en kandidatstuderende ved Institut for Fysik, også medforfatter.

Holdet fandt ud af, at tilføjelsen af ​​hver elektron forårsagede et spring i mængden af ​​energi, der var nødvendig for at tilføje en anden - hvilket ikke ville have været tilfældet, hvis elektronerne var i stand til at gå ind i krystallen og derefter bevæge sig frit mellem atomerne. Den resulterende kaskade af energiovergange var et resultat af et energispring for hver af elektronernes smag - da elektroner skal antage den lavest mulige energitilstand, mens de heller ikke har samme energi og samme smag som andre elektroner på samme sted i krystallen .

Et centralt spørgsmål på området er, hvordan styrken af ​​interaktioner mellem elektroner sammenlignes med de energiniveauer, som elektronerne ville have haft i fravær af sådanne interaktioner. I de mest almindelige og lavtemperatur superledere, dette er en lille rettelse, men i sjældne højtemperatur superledere, interaktionerne mellem elektroner menes at ændre elektronernes energiniveauer dramatisk. Superledning i nærvær af en så dramatisk indflydelse af interaktioner mellem elektroner er meget dårligt forstået.

De kvantitative målinger af de pludselige skift, som forskerne har opdaget, bekræfter billedet af, at magisk vinkelgrafen tilhører klassen af ​​superledere med stærk interaktion mellem elektronerne.

Grafen er et enkelt-atom-tyndt lag af kulstofatomer, hvilken, på grund af kulstofs kemiske egenskaber, arrangere sig i et fladt honeycomb gitter. Forskerne får grafen ved at tage en tynd blok grafit - det samme rene kulstof, der bruges i blyanter - og fjerne det øverste lag ved hjælp af klæbende tape.

De stabler derefter to atomtynde lag og roterer det øverste lag med nøjagtigt 1,1 grader - den magiske vinkel. Hvis du gør dette, får materialet til at blive superledende, eller opnå usædvanlige isolerende eller magnetiske egenskaber.

"Hvis du er på 1,2 grader, det er dårligt. Det er, det er bare et intetsigende metal. Der sker ikke noget interessant. Men hvis du er på 1,1 grader, du ser al denne interessante adfærd, " sagde Nuckolls.

Denne forskydning skaber et arrangement kendt som et moiré-mønster for dets lighed med et fransk stof.

For at udføre eksperimenterne, forskerne byggede et scanningstunnelmikroskop i kælderen i Princetons fysikbygning, Jadwin Hall. Så høj, at den fylder to etager, mikroskopet sidder oven på en granitplade, som flyder på luftfjedre. "Vi skal isolere udstyret meget præcist, fordi det er ekstremt følsomt over for vibrationer, " sagde Myungchul Åh, en postdoc-forsker og medførsteforfatter.

Dillon Wong, Kevin Nuckolls, Myungchul Åh, og Biao Lian bidrog lige så meget til arbejdet.

Yonglong Xie yder yderligere bidrag, der fik sin ph.d. i 2019 og er nu postdoc-forsker ved Harvard University; Sangjun Jeon, som nu er assisterende professor ved Chung-Ang University i Seoul; Kenji Watanabe og Takashi Taniguchi fra National Institute for Material Science (NIMS) i Japan; og Princeton professor i fysik B. Andrei Bernevig.

En lignende kaskade af elektroniske faseovergange blev noteret i et papir udgivet samtidigt i Natur den 11. juni af et team ledet af Shahal Ilani ved Weizmann Institute of Science i Israel og med Jarillo-Herrero og kolleger på MIT, Takashi Taniguchi og Kenji Watanabe fra NIMS Japan, og forskere ved det frie universitet i Berlin.

"Weizmann-holdet observerede de samme overgange, som vi gjorde med en helt anden teknik, "Yazdani sagde." Det er rart at se, at deres data er kompatible med både vores målinger og vores fortolkning. "

Studiet, "Kaskade af elektroniske overgange i magisk vinkel snoet to-lags grafen, " af Dillon Wong, Kevin P. Nuckolls, Myungchul Åh, Biao Lian, Yonglong Xie, Sangjun Jeon, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, B. Andrei Bernevig, og Ali Yazdani, blev offentliggjort 11. juni i tidsskriftet Natur .