Klemt mellem superledere, grafen vedtager eksotiske elektroniske tilstande

I normale ledende materialer som sølv og kobber, elektrisk strøm flyder med forskellige grader af modstand, i form af individuelle elektroner, der ping-pong af defekter, spilder energi, mens de går. Superledere, derimod, er så opkaldt efter deres bemærkelsesværdige evne til at lede elektricitet uden modstand, ved hjælp af elektroner, der parrer sig og bevæger sig gennem et materiale som et, genererer ingen gnidninger.

Nu har MIT -fysikere fundet ud af, at en flage grafen, når de bringes tæt på med to superledende materialer, kan arve nogle af disse materialers superledende kvaliteter. Da grafen er klemt mellem superledere, dets elektroniske tilstand ændrer sig dramatisk, selv i centrum.

Forskerne fandt ud af, at grafens elektroner, tidligere opførte sig som individ, spredning af partikler, i stedet parres i "Andreev -stater" - en grundlæggende elektronisk konfiguration, der tillader en konventionel, ikke -ledende materiale til at bære en "superstrøm, "en elektrisk strøm, der strømmer uden at aflede energi.

Deres fund, udgivet i denne uge i Naturfysik , er den første undersøgelse af Andreev-stater på grund af superledningens "nærhedseffekt" i et todimensionelt materiale såsom grafen.

Ned ad vejen, forskernes grafenplatform kan bruges til at udforske eksotiske partikler, såsom Majorana fermioner, som menes at stamme fra Andreev -stater og kan være nøglepartikler til opbygning af kraftfulde, fejlsikre kvantecomputere.

"Der er en enorm indsats i det kondenserede fysikfællesskab for at lede efter eksotiske kvanteelektroniske tilstande, "siger hovedforfatter Landry Bretheau, en postdoc i MIT's Institut for Fysik. "I særdeleshed, nye partikler kaldet Majorana fermioner forudsiges at dukke op i grafen, der er forbundet med superledende elektroder og udsat for store magnetfelter. Vores eksperiment er lovende, da vi forener nogle af disse ingredienser. "

Landrys MIT-medforfattere er postdoc Joel I-Jan Wang, besøgende studerende Riccardo Pisoni, og lektor i fysik Pablo Jarillo-Herrero, sammen med Kenji Watanabe og Takashi Taniguchi fra National Institute for Materials Science, i Japan.

Den superledende nærhedseffekt

I 1962, den britiske fysiker Brian David Josephson forudsagde, at to superledere, der klemte et ikke -superledende lag mellem dem, kunne opretholde en superstrøm af elektronpar, uden ekstern spænding.

Som en helhed, superstrømmen forbundet med Josephson -effekten er blevet målt i talrige forsøg. Men Andreev -stater - betragtet som de mikroskopiske byggesten i en superstrøm - er kun blevet observeret i en håndfuld systemer, såsom sølvtråde, og aldrig i et todimensionelt materiale.

Bretheau, Wang, og Jarillo-Herrero tacklede dette problem ved at bruge grafen-et ultratyndt lag af sammenkoblede carbonatomer-som det ikke-superledende materiale. Graphene, som Bretheau forklarer, er et ekstremt "rent" system, udviser meget lidt spredning af elektroner. Graphene er forlænget, atomkonfiguration gør det også muligt for forskere at måle grafens elektroniske Andreev -tilstande, når materialet kommer i kontakt med superledere. Forskere kan også kontrollere tætheden af ​​elektroner i grafen og undersøge, hvordan det påvirker den superledende nærhedseffekt.

Forskerne eksfolierede en meget tynd flage grafen, bare et par hundrede nanometer bredt, fra en større klump grafit, og lagde flagen på en lille platform fremstillet af en krystal af bornitrid, der lå over et ark grafit. I hver ende af grafenflaget, de placerede en elektrode fremstillet af aluminium, som opfører sig som en superleder ved lave temperaturer. De anbragte derefter hele strukturen i et fortyndings -køleskab og sænkede temperaturen til 20 millikelvin - godt inden for aluminiums superledende område.

"Frustreret" stater

I deres eksperimenter, forskerne varierede størrelsen af ​​superstrømmen, der flyder mellem superlederne ved at anvende et skiftende magnetfelt på hele strukturen. De påførte også en ekstern spænding direkte på grafen, at variere antallet af elektroner i materialet.

Under disse skiftende forhold, holdet målte grafenets tæthed af elektroniske tilstande, mens flaget var i kontakt med begge aluminiums superledere. Ved hjælp af tunnelspektroskopi, en almindelig teknik, der måler tætheden af ​​elektroniske tilstande i en ledende prøve, forskerne var i stand til at undersøge grafenets centrale region for at se, om superlederne havde nogen effekt, selv i områder, hvor de ikke fysisk rørte ved grafen.

Målingerne viste, at grafens elektroner, som normalt fungerer som individuelle partikler, stod sammen, dog i "frustrerede" konfigurationer, med energier afhængig af magnetfelt.

"Elektroner i en superleder danser harmonisk i par, som en ballet, men koreografien i venstre og højre superleder kan være anderledes, "Siger Bretheau." Par i det centrale grafen er frustrerede, da de forsøger at tilfredsstille begge måder at danse på. Disse frustrerede par er, hvad fysikere kender som Andreev siger; de bærer superstrømmen. "

Bretheau og Wang fandt, at Andreev -stater varierer deres energi som reaktion på et magnetfelt i forandring. Andreev -stater er mere udtalt, når grafen har en højere densitet af elektroner, og der er en stærkere superstrøm, der kører mellem elektroderne.

"[Superlederne] giver faktisk grafen nogle superledende kvaliteter, "Bretheau siger." Vi fandt ud af, at disse elektroner kan blive dramatisk påvirket af superledere. "

Mens forskerne udførte deres eksperimenter under lave magnetfelter, de siger, at deres platform kan være et udgangspunkt for at udforske de mere eksotiske Majorana fermioner, der skulle vises under høje magnetfelter.

"Der er forslag til, hvordan man bruger Majorana fermioner til at bygge kraftfulde kvantecomputere, "Bretheau siger." Disse partikler kan være elementær mursten i topologiske kvantecomputere, med en meget stærk beskyttelse mod fejl. Vores arbejde er et første skridt i denne retning. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.