Magisk vinkel tre-lags grafen kan være en sjælden, magnetsikker superleder

MIT-fysikere har observeret tegn på en sjælden type superledning i et materiale kaldet magic-angle twisted trilayer graphene. I en undersøgelse, der vises i Natur , forskerne rapporterer, at materialet udviser superledning ved overraskende høje magnetiske felter på op til 10 Tesla, hvilket er tre gange højere end hvad materialet forventes at tåle, hvis det var en konventionel superleder.

Resultaterne antyder kraftigt, at magisk vinkel trelags grafen, som oprindeligt blev opdaget af den samme gruppe, er en meget sjælden type superleder, kendt som en "spin-triplet, ", der er uigennemtrængelig for høje magnetiske felter. Sådanne eksotiske superledere kunne i høj grad forbedre teknologier såsom magnetisk resonansbilleddannelse, som bruger supraledende tråde under et magnetfelt til at resonere med og billedbiologisk væv. MRI-maskiner er i øjeblikket begrænset til magnetfelter på 1 til 3 Tesla. Hvis de kunne bygges med spin-triplet superledere, MR kunne fungere under højere magnetfelter for at producere skarpere, dybere billeder af den menneskelige krop.

Det nye bevis på spin-triplet-superledning i trelagsgrafen kan også hjælpe forskere med at designe stærkere superledere til praktisk kvanteberegning.

"Værdien af ​​dette eksperiment er, hvad det lærer os om grundlæggende superledning, om hvordan materialer kan opføre sig, så med disse erfaringer, vi kan prøve at designe principper for andre materialer, som ville være nemmere at fremstille, det kunne måske give dig bedre superledning, " siger Pablo Jarillo-Herrero, Cecil og Ida Grønne professor i fysik ved MIT.

Hans medforfattere på papiret inkluderer postdoc Yuan Cao og kandidatstuderende Jeong Min Park ved MIT, og Kenji Watanabe og Takashi Taniguchi fra National Institute for Materials Science i Japan.

Mærkeligt skifte

Superledende materialer er defineret ved deres supereffektive evne til at lede elektricitet uden at miste energi. Når de udsættes for en elektrisk strøm, elektroner i en superleder kobler sig op i "Cooper-par", der derefter rejser gennem materialet uden modstand, som passagerer i et eksprestog.

I langt de fleste superledere, disse passagerpar har modsatte spin, med en elektron, der snurrer op, og den anden ned - en konfiguration kendt som en "spin-singlet". Disse par suser heldigvis gennem en superleder, undtagen under høje magnetiske felter, som kan flytte energien af ​​hver elektron i modsatte retninger, trækker parret fra hinanden. På denne måde, og gennem mekanismer, høje magnetiske felter kan afspore superledning i konventionelle spin-singlet superledere.

"Det er den ultimative grund til, at i et stort nok magnetfelt, superledning forsvinder, "Siger Park.

Men der findes en håndfuld eksotiske superledere, der er uigennemtrængelige for magnetiske felter, op til meget store styrker. Disse materialer superleder gennem par af elektroner med samme spin - en egenskab kendt som "spin-triplet". Når de udsættes for høje magnetiske felter, energien af ​​begge elektroner i et Cooper-par skifter i samme retning, på en måde, så de ikke trækkes fra hinanden, men fortsætter med at superlede uforstyrret, uanset magnetfeltstyrken.

Jarillo-Herreros gruppe var nysgerrige på, om magisk-vinklet trelagsgrafen kunne bære tegn på denne mere usædvanlige spin-triplet-superledning. Holdet har produceret banebrydende arbejde i studiet af grafen moiré-strukturer - lag af atomtynde kulstofgitter, der, når de er stablet i bestemte vinkler, kan give anledning til overraskende elektronisk adfærd.

Forskerne rapporterede oprindeligt sådanne mærkelige egenskaber i to vinklede ark grafen, som de døbte magic-angle tolayer graphene. De fulgte hurtigt op med test af trelags grafen, en sandwich-konfiguration af tre grafenplader, der viste sig at være endnu stærkere end dens dobbeltlagede modstykke, bevarer superledning ved højere temperaturer. Da forskerne anvendte et beskedent magnetfelt, de bemærkede, at trelagsgrafen var i stand til at superlede ved feltstyrker, der ville ødelægge superledning i dobbeltlagsgrafen.

"Vi troede, det er noget meget mærkeligt, " siger Jarillo-Herrero.

Et super comeback

I deres nye undersøgelse, fysikerne testede trelagsgrafens superledningsevne under stadig højere magnetfelter. De fremstillede materialet ved at skrælle atomtynde kulstoflag væk fra en grafitblok, stable tre lag sammen, og rotation af den midterste med 1,56 grader i forhold til de ydre lag. De fastgjorde en elektrode til hver ende af materialet for at køre en strøm igennem og måle energi tabt i processen. Så tændte de en stor magnet i laboratoriet, med et felt, som de orienterede parallelt med materialet.

Da de øgede magnetfeltet omkring trelags grafen, de observerede, at superledning holdt sig stærk indtil et punkt, før den forsvandt, men dukkede så mærkeligt op igen ved højere feltstyrker - et comeback, der er meget usædvanligt og ikke kendt for at forekomme i konventionelle spin-singlet-superledere.

"I spin-singlet superledere, hvis du dræber superledning, det kommer aldrig tilbage - det er væk for altid, " siger Cao. "Her, den dukkede op igen. Så dette siger bestemt, at dette materiale ikke er spin-singlet."

De bemærkede også, at efter "genindtræden, "superledning varede op til 10 Tesla, den maksimale feltstyrke, som laboratoriets magnet kunne producere. Dette er cirka tre gange højere end hvad superlederen skulle kunne modstå, hvis det var en konventionel spin-singlet, ifølge Paulis grænse, en teori, der forudsiger det maksimale magnetfelt, ved hvilket et materiale kan bevare superledning.

Trelagsgrafens genfremkomst af superledning, parret med dens persistens ved højere magnetfelter end forudsagt, udelukker muligheden for, at materialet er en almindelig superleder. I stedet, det er sandsynligvis en meget sjælden type, muligvis en spin-triplet, hosting af Cooper-par, der suser gennem materialet, uigennemtrængelig for høje magnetiske felter. Holdet planlægger at bore ned på materialet for at bekræfte dets nøjagtige spin-tilstand, som kunne hjælpe med at informere designet af mere kraftfulde MR-maskiner, og også mere robuste kvantecomputere.

"Almindelig kvanteberegning er super skrøbelig, " siger Jarillo-Herrero. "Du ser på det og, puf, det forsvinder. For omkring 20 år siden, teoretikere foreslog en type topologisk superledning, der, hvis realiseret i noget materiale, kunne [aktivere] en kvantecomputer, hvor stater, der er ansvarlige for beregning, er meget robuste. Det ville give uendelig mere magt til at lave computere. Nøgleingrediensen til at indse det ville være spin-triplet superledere, af en bestemt type. Vi aner ikke, om vores type er af den type. Men selvom det ikke er, dette kunne gøre det lettere at sætte trelagsgrafen med andre materialer for at konstruere den slags superledningsevne. Det kan blive et stort gennembrud. Men det er stadig super tidligt."