Jagten på den magiske vinkel

Stak to lag grafen, snoet i lidt forskellige vinkler i forhold til hinanden, og materialet bliver spontant en superleder. Videnskaben kan stadig ikke forklare, hvordan noget så magisk kan ske, men fysikere bruger specielt udstyr til at afsløre, hvad der foregår under overfladen.

Superledning er et emne, der har fascineret videnskabsmænd i generationer, siden det først blev bemærket for mere end 100 år siden, i Leiden-laboratoriet hos nobelprisvinderen Heike Kamerlingh Onnes. Han afkølede kviksølv til næsten det absolutte nulpunkt og pludselig, al modstand forsvandt. Hvis du introducerer en elektrisk strøm til et så koldt metal, den vil fortsætte med at flyde, indtil afkølingen er stoppet.

Afkøling betyder i dette tilfælde en temperatur på omkring 270 grader under nul, den temperatur, hvorved helium bliver flydende. Det er kompliceret og dyrt, så praktiske anvendelser af superledning var begrænset til magneterne i MR-scannere på hospitaler, indtil nu.

I mellemtiden, fysikere har ledt efter 'varme' superledere, som vil fungere med mindre afkøling. For eksempel, Der er udviklet keramiske materialer, som er superledende ved minus 140. Det er fremskridt, men vi er der ikke endnu. Der er stadig mange ubesvarede spørgsmål. Hvad der præcist sker inde i disse materialer, er et sådant spørgsmål, som Leiden-forskerne Tjerk Benschop og Sense Jan van der Molen håber at finde et svar på.

"Historien har lært os, at sådan en søgen kan tage tid, siger Van der Molen, professor i kondenseret stoffysik. "Kamerlingh Onnes opdagede superledning i 1911, men det var først i 1957, at en god forklarende teori blev offentliggjort. Og vi forstår stadig ikke helt de nye keramiske superledere. Det er kompliceret, selv for fysikere. Det var også præmissen for vores samarbejde:Lad os tage et relativt simpelt materiale at eksperimentere med:grafen."

Ph.d. kandidat Tjerk Benschop:"Det interessante er, at faseovergangen til superledning med grafen ligner den for de keramiske superledere. Tanken er, at man ved at studere grafen, vi kan lære mere om, hvad der sker i andre superledere.

Nyt twist

Alle har grafen i deres hjem. Grafitkernen i en blyant består af endeløse lag af grafen, hvor kulstofatomer er pænt arrangeret i en bikagestruktur. Van der Molen:"Tolagsgrafen har særlige egenskaber:du kan bogstaveligt talt give det et nyt twist. Hvis du vrider to lag grafen i en lille vinkel, du får pludselig et superledende materiale. Og hvis du øger vinklen mellem lagene, det fænomen forsvinder. Der er en masse kompleks fysik bag det, og i nogle henseender er det stadig svært at forklare."

Benschop:"Det lyder lidt galt, men i en magisk vinkel på 1,1 grader, elektroner i de to lag begynder at mærke hinanden mere; de er i stand til at interagere. Det resulterer i unikke egenskaber, en af ​​dem er superledning. Det er svært at forklare hvorfor det er tilfældet fordi der er mange fysik-relaterede trin imellem. For eksempel, vi taler om bånd af elektroner, noget, der er svært at forestille sig."

Flade bånd

En international gruppe af forskere har kortlagt den superledende grafensandwich i detaljer, ved hjælp af en række måleteknikker. De kombinerede Benschops vejleders ekspertise inden for superledningsevne, Milan Allan, og kollega Felix Baumberger i Schweiz med Van der Molens grafenforskning. "Hvis du måler virkelig præcist, du kan endda konstatere tilstanden af ​​elektronerne i materialet. Indtil nu, ingen havde haft held til at påvise, at elektroner er mere eller mindre ubevægelige i den magiske vinkel i det, der kaldes et fladt bånd. Og det krævede enormt meget arbejde."

Benschop:"På et tidspunkt, Jeg ofrede min juleferie for at lave billeder af snoet grafen. Det svære ved min teknik er, at man kun kan måle præcist, hvis overfladen af ​​grafen er omhyggeligt ren. Du scanner med en mikroskopisk lille nål over overfladen, og hvis der er så meget som et enkelt snavsmolekyle et sted, din måling fejler. Det gav mig en masse besvær i starten, finde ud af, hvad der virkede bedst et trin ad gangen. For en nøjagtig måling, overfladen af ​​grafen skal være virkelig ren, så vi måler i et miljø med ultrahøjt vakuum, for eksempel. Der er færre partikler, der flyder i målerummet, end der er i rummet."

Eureka øjeblik

De små prøver af snoet dobbeltlagsgrafen blev lavet af andre fysikere i Barcelona, da det er en færdighed i sig selv. "Det fantastiske ved videnskab er, at man møder mennesker gennem publikationer og konferencer og kommer op med nye ideer sammen, " siger Van der Molen. "I dette tilfælde, vi havde brug for fire forskergrupper for at gøre dette til en succes."

"Efter lange dage i laboratoriet, tålmodigt gentage og forbedre, der var endelig et eureka-øjeblik, Benschop fortæller os. "Du bruger lang tid på at arbejde hen imod det, håber det til sidst, du vil være i stand til at få en god måling. Det er så specielt et øjeblik, når du ser grafenens atomare struktur vises på din skærm, med det dejlige mønster, der passer til den korrekte drejningsvinkel."

Så snart de to lag af grafen er snoet i forhold til hinanden, en stor bikagestruktur bliver pludselig synlig. Det er den samme spontane mønsterdannende eller moiré-effekt, man får, når man flytter to tynde lag silke over hinanden. Van der Molen:"Dette mønster er ikke kun en optisk illusion; der opstår faktisk en ny struktur, der giver elektroner nye områder at bevæge sig i."

Vil der nogensinde være chips med magisk vinkelgrafen i computere eller smartphones? Det mener Benschop ikke. "Superledning forekommer i grafen ved minus 272 grader, hvilket gør en praktisk anvendelse umulig, da flydende helium er ekstremt dyrt. Først og fremmest, vi lærer mere og mere om, hvordan superledning opstår, og forhåbentlig, dette vil give ideer til nye materialer, der er superledende ved stuetemperatur."

Lego

Ifølge Van der Molen, tolagsgrafen er kun begyndelsen. Faktum er, at der er mange andre lejligheder, ledende materialer, som også kan stables og snoes. "Jeg ser det som værende ligesom Lego. Man lægger et lag oven på et andet, og hvis der er stærk interaktion, et nyt materiale med uventede egenskaber opstår. Det er lidt ligesom at kombinere brint med ilt for at få vand, og hvor helheden er meget større end summen af ​​delene."

En anden mulighed, Benschop er ivrig efter at undersøge, er vridningen af ​​dobbeltlagsmaterialer, da det også ændrer moiré-mønstrene og de elektriske egenskaber. "Kort sagt, der er rigtig mange parametre at eksperimentere med, " siger Van der Molen. "Der er en teoretisk forudsigelse om, at temperaturen for superledning let kunne være højere. Men hvordan det kan opnås er noget, vi ved for lidt om, endnu. Det er også den bedste del af vores faglige felt:en frygtelig masse ting er svære at beregne eller forudsige, så eksperimenter gør forskellen."