Fysikere opdager en familie af robuste, superledende grafenstrukturer

Når det kommer til grafen, ser det ud til, at superledningsevne kører i familien.

Grafen er et enkelt-atom-tyndt materiale, der kan eksfolieres af den samme grafit, som findes i blyantbly. Det ultratynde materiale er udelukkende lavet af kulstofatomer, der er arrangeret i et simpelt sekskantet mønster, der ligner hønsenet. Siden isoleringen i 2004 har grafen vist sig at legemliggøre adskillige bemærkelsesværdige egenskaber i sin enkeltlagsform.

I 2018 fandt MIT-forskere ud af, at hvis to grafenlag stables i en meget specifik "magisk" vinkel, kunne den snoede dobbeltlagsstruktur udvise robust superledning, en meget søgt materialetilstand, hvor en elektrisk strøm kan strømme igennem med nul energitab. For nylig fandt den samme gruppe ud af, at en lignende superledende tilstand eksisterer i snoet trelagsgrafen - en struktur lavet af tre grafenlag stablet i en præcis, ny magisk vinkel.

Nu rapporterer holdet, at - du gættede det - fire og fem grafenlag kan vrides og stables i nye magiske vinkler for at fremkalde robust superledning ved lave temperaturer. Denne seneste opdagelse, offentliggjort i denne uge i Nature Materials , etablerer de forskellige snoede og stablede konfigurationer af grafen som den første kendte "familie" af flerlags magiske vinkel superledere. Holdet identificerede også ligheder og forskelle mellem grafenfamiliemedlemmer.

Resultaterne kunne tjene som en plan for design af praktiske superledere ved stuetemperatur. Hvis egenskaberne blandt familiemedlemmer kunne kopieres i andre, naturligt ledende materialer, kunne de udnyttes, for eksempel til at levere elektricitet uden dissipation eller bygge magnetisk svævende tog, der kører uden friktion.

"Den magiske vinkel grafen-system er nu en legitim 'familie' ud over et par systemer," siger hovedforfatter Jeong Min (Jane) Park, en kandidatstuderende i MIT's Institut for Fysik. "At have denne familie er særligt meningsfuldt, fordi det giver en måde at designe robuste superledere på."

'Ingen grænse'

Jarillo-Herreros gruppe var den første til at opdage magisk vinkelgrafen i form af en dobbeltlagsstruktur af to grafenplader placeret oven på hinanden og let forskudt i en præcis vinkel på 1,1 grader. Denne snoede konfiguration, kendt som et moiré-supergitter, transformerede materialet til en stærk og vedvarende superleder ved ultralave temperaturer.

Forskerne fandt også ud af, at materialet udviste en type elektronisk struktur kendt som et "fladt bånd", hvor materialets elektroner har den samme energi, uanset deres momentum. I denne flade båndtilstand og ved ultrakolde temperaturer sænker de normalt frenetiske elektroner kollektivt nok til at parre sig i det, der er kendt som Cooper-par – essentielle ingredienser af superledning, der kan strømme gennem materialet uden modstand.

Mens forskerne observerede, at snoet dobbeltlagsgrafen udviste både superledning og en flad båndstruktur, var det ikke klart, om førstnævnte opstod fra sidstnævnte.

"Der var intet bevis for, at en flad båndstruktur førte til superledning," siger Park. "Andre grupper siden da har produceret andre snoede strukturer fra andre materialer, der har et fladt bånd, men de havde ikke rigtig robust superledning. Så vi spekulerede på:Kunne vi producere endnu en fladbånds superledende enhed?"

Da de overvejede dette spørgsmål, udledte en gruppe fra Harvard University beregninger, der matematisk bekræftede, at tre grafenlag, snoet ved 1,6 grader, også ville udvise flade bånd, og foreslog, at de kunne superlede. De fortsatte med at vise, at der ikke burde være nogen grænse for antallet af grafenlag, der udviser superledning, hvis de er stablet og snoet på den helt rigtige måde, i vinkler, de også forudsagde. Endelig beviste de, at de matematisk kunne relatere enhver flerlagsstruktur til en fælles fladbåndsstruktur – et stærkt bevis på, at et fladt bånd kan føre til robust superledning.

"De fandt ud af, at der kan være hele dette hierarki af grafenstrukturer, til uendelige lag, der kan svare til et lignende matematisk udtryk for en flad båndstruktur," siger Park.

Kort efter dette arbejde fandt Jarillo-Herreros gruppe ud af, at der faktisk opstod superledning og et fladt bånd i snoet trelagsgrafen - tre grafenplader, stablet som en ostesandwich, hvor det midterste ostelag forskydes med 1,6 grader i forhold til de klemte ydre lag . Men trelagsstrukturen viste også subtile forskelle sammenlignet med dens dobbeltlagede modstykke.

"Det fik os til at spørge, hvor passer disse to strukturer i forhold til hele klassen af ​​materialer, og er de fra samme familie?" siger Park.

En utraditionel familie

I den aktuelle undersøgelse søgte holdet at udjævne antallet af grafenlag. De fremstillede to nye strukturer, lavet af henholdsvis fire og fem grafenlag. Hver struktur stables skiftevis, svarende til den forskudte ostesandwich af snoet trelagsgrafen.

Holdet opbevarede strukturerne i et køleskab under 1 kelvin (ca. -273 grader Celsius), kørte elektrisk strøm gennem hver struktur og målte outputtet under forskellige forhold, svarende til tests for deres dobbeltlags- og trelagssystemer.

Samlet set fandt de ud af, at både fire- og femlags snoet grafen også udviser robust superledningsevne og et fladt bånd. Strukturerne delte også andre ligheder med deres tre-lags modstykke, såsom deres respons under et magnetfelt med varierende styrke, vinkel og orientering.

Disse eksperimenter viste, at snoede grafenstrukturer kunne betragtes som en ny familie eller klasse af almindelige superledende materialer. Eksperimenterne antydede også, at der kan være et sort får i familien:Den oprindelige snoede dobbeltlagsstruktur, mens den delte nøgleegenskaber, viste også subtile forskelle fra sine søskende. For eksempel viste gruppens tidligere eksperimenter, at strukturens superledningsevne brød ned under lavere magnetiske felter og var mere ujævn, når feltet roterede, sammenlignet med dens flerlagssøskende.

Holdet udførte simuleringer af hver strukturtype og søgte en forklaring på forskellene mellem familiemedlemmer. De konkluderede, at det faktum, at snoet dobbeltlagsgrafens superledningsevne dør ud under visse magnetiske forhold, simpelthen skyldes, at alle dets fysiske lag eksisterer i en "ikke-spejlet" form i strukturen. Med andre ord er der ikke to lag i strukturen, der er spejlmodsatte af hinanden, hvorimod graphens flerlagssøskende udviser en slags spejlsymmetri. Disse resultater tyder på, at mekanismen, der driver elektroner til at flyde i en robust superledende tilstand, er den samme på tværs af den snoede grafenfamilie.

"Det er ret vigtigt," bemærker Park. "Uden at vide dette, tror folk måske, at tolagsgrafen er mere konventionel sammenlignet med flerlagsstrukturer. Men vi viser, at hele denne familie kan være ukonventionelle, robuste superledere." + Udforsk yderligere

Usædvanlig superledning observeret i snoet trelagsgrafen