Sædvanlig superledning observeret i snoet trelagsgrafen

Evnen til at slå superledning fra og til med et bogstaveligt tal på en kontakt i såkaldt "magic-angle twisted graphene" har gjort det muligt for ingeniører hos Caltech at observere et usædvanligt fænomen, der kan kaste nyt lys over superledning generelt.

Forskningen, ledet af Stevan Nadj-Perge, assisterende professor i anvendt fysik og materialevidenskab, blev offentliggjort i tidsskriftet Nature den 15. juni.

Magisk-vinkel snoet grafen, først opdaget i 2018, er lavet af to eller tre plader grafen (en form for kulstof, der består af et enkelt lag atomer i et bikagelignende gittermønster) lagdelt oven på hinanden, med hvert ark snoet ved præcis 1,05 grader i forhold til den under den. Det resulterende dobbelt- eller trelag har usædvanlige elektroniske egenskaber:for eksempel kan det laves om til en isolator eller en superleder afhængigt af hvor mange elektroner, der tilføjes.

Superledere er materialer, der udviser en ejendommelig elektronisk tilstand, hvor elektroner kan strømme frit gennem materialerne uden modstand - hvilket betyder, at elektricitet strømmer gennem dem uden tab af energi til varme. En sådan hypereffektiv transmission af elektricitet har uendelige mulige anvendelsesmuligheder inden for databehandling, elektronik og andre steder.

Fangsten ved superledende er dog, at det i de fleste materialer foregår ved ekstremt lave temperaturer, normalt kun et par grader over det absolutte nulpunkt (−273,15 grader Celsius). Ved sådanne temperaturer danner elektroner par, der opfører sig på en fundamentalt anderledes måde sammenlignet med individuelle elektroner og kondenserer til en kvantemekanisk tilstand, der gør det muligt for elektronpar at flyde uden at blive spredt.

Superledning blev først opdaget for mere end et århundrede siden, men forskerne forstår stadig ikke fuldt ud de præcise mekanismer bag elektronpardannelse for nogle materialer. I konventionelle superledere, såsom metalaluminium, er det velforstået, at tiltrækningen mellem elektroner, der fører til dannelsen af ​​elektronpar, skyldes elektronernes interaktion med materialets krystalgitter. Disse materialers adfærd er beskrevet ved hjælp af Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) teorien, opkaldt efter John Bardeen, Leon Cooper og John Robert Schrieffer, som delte Nobelprisen i fysik i 1972 for teoriens udvikling.

Mens de studerede magisk vinkel snoede trelag af grafen, opdagede Nadj-Perge og hans kolleger, at superledning i dette materiale udviser flere meget usædvanlige egenskaber, som ikke kan beskrives ved hjælp af BSC-teori, hvilket gør det sandsynligvis også en ukonventionel superleder.

De målte udviklingen af ​​det såkaldte superledende mellemrum, da elektronerne fjernes fra trelaget ved at trykke på en kontakt for at tænde eller slukke for et elektrisk felt. Det superledende mellemrum er en egenskab, der beskriver, hvor svært det er at tilføje eller fjerne individuelle elektroner ind i en superleder. Fordi elektroner i en superleder ønsker at blive parret, kræves der en vis mængde energi for at bryde disse par. Mængden af ​​energi kan dog være forskellig for par, der bevæger sig i forskellige retninger i forhold til krystalgitteret. Som et resultat har "gabet" en specifik form, der bestemmes af sandsynligheden for, at par vil blive brudt af en bestemt mængde energi.

"Mens superledere har eksisteret i lang tid, er en bemærkelsesværdig ny funktion i snoede grafen-dobbelt- og trilag, at superledning i disse materialer kan aktiveres blot ved at påføre en spænding på en nærliggende elektrode," siger Nadj-Perge, tilsvarende. forfatter til Nature papir. "Et elektrisk felt tilføjer eller fjerner effektivt ekstra elektroner. Det fungerer på en meget lignende måde, som strømmen styres i konventionelle transistorer, og dette gjorde det muligt for os at udforske superledning på måder, som man ikke kan gøre i andre materialer."

Holdet konstaterede, at der i snoede trelag er to superledningsregimer med forskelligt formede superledende spalteprofiler til stede. Mens et af regimerne måske kan forklares med en teori, der til en vis grad ligner BCS, viser tilstedeværelsen af ​​to regimer, at der inden for den superledende fase sandsynligvis vil finde en yderligere overgang sted. Denne observation peger sammen med målinger taget ved forskellige temperaturer og magnetiske felter på den ukonventionelle karakter af superledning i trelagene.

Den nye indsigt fra Nadj-Perges team giver væsentlige ledetråde til fremtidige teorier om superledning i snoede grafen-multilag. Nadj-Perge bemærker, at det ser ud til, at flere lag gør superledning mere robust, samtidig med at den forbliver meget justerbar, en egenskab, der åbner op for forskellige muligheder for at bruge snoede trelag til superledende enheder, der en dag kan blive brugt i kvantevidenskab og måske kvanteinformationsbehandling.

"Ud over dets grundlæggende implikationer for vores forståelse af superledning, er det bemærkelsesværdigt, at tilføjelsen af ​​et ekstra grafenlag gjorde det nemmere at studere superledende egenskaber. I sidste ende var det, hvad der gjorde det muligt for vores resultater," siger Nadj-Perge.

Papiret har titlen "Bevis på ukonventionel superledning i snoet trelagsgrafen." + Udforsk yderligere

Specielt orienteret snoet tolagsgrafen er vært for topologiske elektroniske tilstande