Forskere bruger trelagsgrafen til at observere mere robust superledning

I 2018, fysikkens verden blev sat i brand med opdagelsen af, at når et ultratyndt lag kulstof, kaldet grafen, er stablet og snoet til en "magisk vinkel, "den nye dobbeltlagede struktur konverteres til en superleder, lader elektricitet flyde uden modstand eller energispild. Nu, i et bogstaveligt twist, Harvard-forskere har udvidet det superledende system ved at tilføje et tredje lag og rotere det, åbner døren for fortsatte fremskridt inden for grafenbaseret superledning.

Arbejdet er beskrevet i et nyt papir i Videnskab og kan en dag hjælpe med at føre til superledere, der fungerer ved højere eller endda tæt på stuetemperatur. Disse superledere betragtes som den hellige gral af kondenseret stofs fysik, da de ville give mulighed for enorme teknologiske revolutioner på mange områder, herunder elektricitetstransmission, transport, og kvanteberegning. De fleste superledere i dag, inklusive den dobbeltlagede grafenstruktur, kun arbejde ved ultrakolde temperaturer.

"Superledning i snoet grafen giver fysikere et eksperimentelt kontrollerbart og teoretisk tilgængeligt modelsystem, hvor de kan lege med systemets egenskaber for at afkode hemmelighederne bag højtemperatursuperledning, " sagde en af ​​avisens medforfattere Andrew Zimmerman, en postdoc-forsker i at arbejde i laboratoriet hos Harvard-fysiker Philip Kim.

Grafen er et et-atom-tykt lag af kulstofatomer, der er 200 gange stærkere end stål, men alligevel ekstremt fleksibelt og lettere end papir. Det har næsten altid været kendt for at være en god leder af varme og elektrisk strøm, men er notorisk svært at håndtere. Eksperimenter, der låser op for puslespillet med snoet tolagsgrafen, har været i gang, siden MIT-fysiker Pablo Jarillo-Herrero og hans gruppe var pionerer i det nye felt "twistronics" med deres eksperiment i 2018, hvor de producerede grafen-superlederen ved at dreje den til en magisk vinkel på 1,1 grader .

Harvard-forskerne rapporterer, at de med succes har stablet tre ark grafen og derefter vrider hver af dem i den magiske vinkel for at producere en tre-lags struktur, der ikke kun er i stand til superledning, men gør det mere robust og ved højere temperaturer end mange af de dobbeltstablede grafen. Det nye og forbedrede system er også følsomt over for et eksternt påført elektrisk felt, der giver dem mulighed for at justere niveauet af superledning ved at justere styrken af ​​dette felt.

"Det gjorde det muligt for os at observere superlederen i en ny dimension og gav os vigtige spor om den mekanisme, der driver superledningsevnen, " sagde undersøgelsens anden hovedforfatter Zeyu Hao, en ph.d. studerende på Graduate School of Arts and Sciences, der også arbejder i Kim Group.

En af disse mekanismer har teoretikerne virkelig begejstret. Trelagssystemet viste bevis for, at dets superledningsevne skyldes stærke vekselvirkninger mellem elektroner i modsætning til svage. Hvis sandt, dette kan ikke kun hjælpe med at åbne en vej til højtemperatursuperledning, men også mulige anvendelser inden for kvanteberegning.

"I de fleste konventionelle superledere, elektroner bevæger sig med høj hastighed og krydser af og til veje og påvirker hinanden. I dette tilfælde, vi siger, at deres interaktionseffekter er svage, " sagde Eslam Khalaf, en medforfatter på studiet og postdoc, der arbejder i laboratoriet hos Harvard fysikprofessor Ashvin Vishwanath. "Mens svagt interagerende superledere er skrøbelige og mister superledningsevne, når de opvarmes til et par Kelvins, stærke koblingssuperledere er meget mere modstandsdygtige, men meget mindre forståelige. Realisering af stærk koblingssuperledning i et enkelt og afstembart system såsom trilayer kunne bane vejen for endelig at udvikle en teoretisk forståelse af stærkt koblede superledere for at hjælpe med at realisere målet om en høj temperatur, måske endda stuetemperatur, superleder."

Forskerne planlægger at fortsætte med at udforske arten af ​​denne usædvanlige superledning i yderligere undersøgelser.

"Jo mere vi forstår, jo bedre vi har mulighed for at øge de superledende overgangstemperaturer, " sagde Kim.