Konkurrence mellem superledning og isolerende tilstande i magisk vinkelgrafen

Hvis du stabler to lag grafen oven på hinanden, og roter dem i en vinkel på 1,1º (ikke mere eller mindre) fra hinanden - den såkaldte 'magiske vinkel', ' eksperimenter har vist, at materialet kan opføre sig som en isolator, hvor der ikke kan løbe elektrisk strøm, og kan samtidig også opføre sig som en superleder, hvor elektriske strømme kan flyde uden modstand.

Dette store fund fandt sted i 2018. Sidste år, i 2019, mens ICFO-forskere forbedrede kvaliteten af ​​den enhed, der blev brugt til at replikere sådanne gennembrud, de faldt over noget endnu større og totalt uventet. De var i stand til at observere en zoologisk have med tidligere uobserverede superledende og korrelerede tilstande, ud over et helt nyt sæt af magnetiske og topologiske tilstande, åbne et helt nyt rige af rigere fysik.

Indtil nu, der er ingen teori, der har været i stand til at forklare superledning i magisk vinkelgrafen på mikroskopisk niveau. Imidlertid, dette fund har udløst mange undersøgelser, som forsøger at forstå og afsløre fysikken bag alle disse fænomener, der opstår i dette materiale. I særdeleshed, videnskabsmænd trak analogier til ukonventionelle højtemperatursuperledere - kupraterne, som holder de rekordhøjeste superledende temperaturer, kun 2 gange lavere end stuetemperatur. Deres mikroskopiske mekanisme af den superledende fase er stadig ikke forstået, 30 år efter dens opdagelse. Imidlertid, svarende til magisk vinkel snoet bi-lags grafen (MATBG), det menes, at en isolerende fase er ansvarlig for den superledende fase i nærheden af ​​den. At forstå forholdet mellem de superledende og isolerende faser er i centrum for forskerens interesse, og kunne føre til et stort gennembrud inden for superledningsforskning.

I en undersøgelse for nylig offentliggjort i Natur , ICFO-forskere Petr Stepanov, Ipsita Das, Xiaobo Lu, Frank H. L. Koppens, ledet af ICFO prof. Dmitri Efetov, i samarbejde med en tværfaglig gruppe af forskere fra MIT, National Institute for Materials Science i Japan, og Imperial College London, har dykket dybere ned i den fysiske opførsel af dette system og rapporterer om den detaljerede test og screeningskontrollerede af Magic-Angle Twisted Bi-layer Graphene (MATBG) enheder med adskillige drejningsvinkler, der næsten er magiske, at finde en mulig forklaring på de nævnte tilstande.

I deres eksperiment, de var i stand til samtidigt at kontrollere elektronernes hastighed og interaktionsenergier, og så gør de isolerende faser til superledende. Normalt, i den magiske vinkel, dannes en isolerende tilstand, da elektroner har meget små hastigheder, og derudover de frastøder hinanden stærkt gennem Coulomb-styrken. I denne undersøgelse brugte Stepanov og teamet enheder med drejningsvinkler lidt væk fra den magiske vinkel på 1,1° gange ± 0,05°, og placerede disse meget tæt på metalliske afskærmningslag, adskille disse med kun få nanometer ved at isolere hexagonale bornitridlag. Dette gjorde det muligt for dem at reducere den frastødende kraft mellem elektronerne og fremskynde disse, så de kan bevæge sig frit, undslipper den isolerende tilstand.

Ved at gøre det, Stepanov og kolleger observerede noget ganske uventet. Ved at ændre spændingen (bærertætheden) i de forskellige enhedskonfigurationer, superledningsfasen forblev, mens den korrelerede isolatorfase forsvandt. Faktisk, den superledende fase spændte over større områder af tætheder, selv når bærertætheden varierede. Sådanne observationer tyder på, at snarere end at have samme fælles oprindelse, den isolerende og superledende fase kunne faktisk konkurrere med hinanden, hvilket sætter spørgsmålstegn ved den simple analogi med kupraterne, som man tidligere troede. Imidlertid, forskerne indså hurtigt, at den superledende fase kunne være endnu mere interessant, da det ligger i umiddelbar nærhed af topologiske tilstande, som aktiveres ved tilbagevendende elektronisk interaktion ved at påføre et magnetfelt.

Superledning med Magic-Angle Graphene

Stuetemperatur superledning er nøglen til mange teknologiske mål, såsom effektiv kraftoverførsel, friktionsfri tog, eller endda kvantecomputere, blandt andre. Da det blev opdaget for mere end 100 år siden, superledning var kun plausibel i materialer kølet ned til temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt. Derefter, i slutningen af ​​80'erne, forskere opdagede højtemperatur superledere ved at bruge keramiske materialer kaldet cuprates. På trods af vanskeligheden ved at bygge superledere og behovet for at anvende ekstreme forhold (meget stærke magnetiske felter) for at studere materialet, feltet tog fart som noget af en hellig gral blandt videnskabsmænd baseret på dette fremskridt. Siden sidste år, spændingen omkring dette felt er steget. De dobbelte monolag af kulstof har fængslet forskere, fordi i modsætning til cuprates, deres strukturelle enkelhed er blevet en fremragende platform til at udforske superledningsevnens komplekse fysik.