Når den drejes i en magisk vinkel, grafenplader kan danne en isolator eller en superleder

Det er svært at tro, at et enkelt materiale kan beskrives med så mange superlativer, som grafen kan. Siden opdagelsen i 2004, videnskabsmænd har fundet ud af, at kniplinger, honeycomb-lignende ark af kulstofatomer - i det væsentlige den mest mikroskopiske barbering af blyantbly, du kan forestille dig - er ikke bare det tyndeste materiale, der er kendt i verden, men også utrolig let og fleksibel, hundredvis af gange stærkere end stål, og mere elektrisk ledende end kobber.

Nu har fysikere ved MIT og Harvard University fundet ud af, at vidundermaterialet kan udvise endnu mere mærkværdige elektroniske egenskaber. I to artikler offentliggjort i dag i Natur , holdet rapporterer, at det kan indstille grafen til at opføre sig ved to elektriske yderpunkter:som en isolator, hvor elektroner er fuldstændig blokeret fra at strømme; og som superleder, hvor elektrisk strøm kan strømme igennem uden modstand.

Forskere i fortiden, herunder dette hold, har været i stand til at syntetisere grafen-superledere ved at placere materialet i kontakt med andre superledende metaller - et arrangement, der gør det muligt for grafen at arve nogle superledende adfærd. Denne gang, holdet fandt en måde at lave grafen-superledning på egen hånd, demonstrerer, at superledning kan være en iboende kvalitet i det rent kulstofbaserede materiale.

Fysikerne opnåede dette ved at skabe et "supergitter" af to grafenplader stablet sammen - ikke præcist oven på hinanden, men drejede lidt, i en "magisk vinkel" på 1,1 grader. Som resultat, overlejringen, sekskantet bikagemønster er lidt forskudt, skabe en præcis moiré -konfiguration, der forventes at fremkalde mærkelige, "stærkt korrelerede interaktioner" mellem elektronerne i grafenarkene. I enhver anden stablet konfiguration, grafen foretrækker at forblive distinkt, interagerer meget lidt, elektronisk eller på anden måde, med sine tilstødende lag.

Holdet, ledet af Pablo Jarillo-Herrero, en lektor i fysik ved MIT, fandt ud af, at når den drejes i den magiske vinkel, de to ark grafen udviser ikke -ledende adfærd, ligner en eksotisk klasse af materialer kendt som Mott-isolatorer. Da forskerne derefter påførte spænding, tilføje små mængder elektroner til grafen supergitteret, de fandt det, på et vist niveau, elektronerne brød ud af den oprindelige isolerende tilstand og strømmede uden modstand, som gennem en superleder.

"Vi kan nu bruge grafen som en ny platform til at undersøge ukonventionel superledning, " siger Jarillo-Herrero. "Man kan også forestille sig at lave en superledende transistor af grafen, som du kan tænde og slukke, fra superledende til isolering. Det åbner mange muligheder for kvanteenheder."

30 års mellemrum

Et materiales evne til at lede elektricitet er normalt repræsenteret i form af energibånd. Et enkelt bånd repræsenterer en række energier, som et materiales elektroner kan have. Der er et energigab mellem bånd, og når et bånd er fyldt, en elektron skal indeholde ekstra energi for at overvinde dette hul, for at besætte det næste tomme bånd.

Et materiale betragtes som en isolator, hvis det sidste besatte energibånd er fuldstændigt fyldt med elektroner. Elektriske ledere såsom metaller, på den anden side, udviser delvist fyldte energibånd, med tomme energitilstande, som elektronerne kan udfylde for frit at bevæge sig.

Mott isolatorer, imidlertid, er en klasse materialer, der fremkommer fra deres båndstruktur for at lede elektricitet, men målt, de opfører sig som isolatorer. Specifikt, deres energibånd er halvfyldte, men på grund af stærke elektrostatiske interaktioner mellem elektroner (såsom ladninger af lighedstegn, der frastøder hinanden), materialet leder ikke elektricitet. Det halvfyldte bånd deler sig i det væsentlige i to miniaturer, næsten flade bånd, med elektroner, der fuldstændig optager det ene bånd og efterlader det andet tomt, og opfører sig derfor som en isolator.

"Det betyder, at alle elektronerne er blokeret, så det er en isolator på grund af denne stærke frastødning mellem elektronerne, så intet kan flyde, Jarillo-Herrero forklarer. "Hvorfor er Mott-isolatorer vigtige? Det viser sig, at moderforbindelsen til de fleste højtemperatur-superledere er en Mott-isolator."

Med andre ord, videnskabsmænd har fundet måder at manipulere de elektroniske egenskaber af Mott isolatorer for at gøre dem til superledere, ved relativt høje temperaturer på omkring 100 Kelvin. At gøre dette, de "doper" materialet kemisk med ilt, hvis atomer tiltrækker elektroner ud af Mott-isolatoren, efterlader mere plads til at de resterende elektroner kan flyde. Når der er tilsat nok ilt, isolatoren omdannes til en superleder. Hvordan denne overgang præcis sker, Jarillo-Herrero siger, har været et 30-årigt mysterium.

"Dette er et problem, der er 30 år og tæller, uløst, " siger Jarillo-Herrero. "Disse højtemperatur-superledere er blevet undersøgt til døde, og de har mange interessante adfærd. Men vi ved ikke, hvordan vi skal forklare dem."

En præcis rotation

Jarillo-Herrero og hans kolleger ledte efter en enklere platform til at studere sådan ukonventionel fysik. Ved at studere de elektroniske egenskaber i grafen, holdet begyndte at lege med simple stakke af grafenark. Forskerne skabte to-arks supergitter ved først at eksfoliere en enkelt flage af grafen fra grafit, Saml derefter forsigtigt halvdelen af ​​flagen op med et objektglas belagt med en klæbrig polymer og et isolerende materiale af bornitrid.

De roterede derefter glasset meget lidt og tog den anden halvdel af grafenflagen op, at holde det til første halvdel. På denne måde de skabte et supergitter med et forskudt mønster, der adskiller sig fra grafens originale honeycomb-gitter.

Holdet gentog dette eksperiment, oprettelse af flere "enheder, "eller grafen supergitter, med forskellige rotationsvinkler, mellem 0 og 3 grader. De fastgjorde elektroder til hver enhed og målte en elektrisk strøm, der passerede igennem, plottede derefter enhedens modstand, givet mængden af ​​den oprindelige strøm, der gik igennem.

"Hvis du er slukket i din rotationsvinkel med 0,2 grader, al fysik er væk, " siger Jarillo-Herrero. "Der vises ingen superledningsevne eller Mott-isolator. Så du skal være meget præcis med justeringsvinklen."

Ved 1,1 grader - en rotation, der er blevet forudsagt at være en "magisk vinkel" - fandt forskerne, at grafen-supergitteret elektronisk lignede en flad båndstruktur, ligner en Mott isolator, hvor alle elektroner bærer den samme energi uanset deres momentum.

"Forestil dig momentum for en bil er massetider hastighed, " siger Jarillo-Herrero. "Hvis du kører med 30 miles i timen, du har en vis mængde kinetisk energi. Hvis du kører med 60 miles i timen, du har meget højere energi, og hvis du styrter ned, du kan deformere en meget større genstand. Denne ting siger, uanset om du kører 30 eller 60 eller 100 miles i timen, de ville alle have den samme energi. "

"Aktuel gratis"

For elektroner, Det betyder at, selvom de indtager et halvfyldt energibånd, en elektron har ikke mere energi end nogen anden elektron, for at gøre det muligt at flytte rundt i det band. Derfor, selvom sådan en halvfyldt båndstruktur burde fungere som en dirigent, den opfører sig i stedet som en isolator - og mere præcist, en Mott isolator.

Dette gav holdet en idé:Hvad hvis de kunne tilføje elektroner til disse Mott-lignende supergitter, ligner hvordan forskere dopede Mott -isolatorer med ilt for at gøre dem til superledere? Ville grafen på sin side antage superledende egenskaber?

At finde ud af, de påførte en lille gate-spænding til "magic-angle graphene supergitter, " tilføje små mængder elektroner til strukturen. Som et resultat, individuelle elektroner bundet sammen med andre elektroner i grafen, lader dem flyde, hvor de før ikke kunne. Hele vejen igennem, forskerne fortsatte med at måle materialets elektriske modstand, og fandt ud af, at når de tilføjede en bestemt, lille mængde elektroner, den elektriske strøm flød uden at aflede energi - ligesom en superleder.

"Du kan strømme gratis, ingen energi spildt, og dette viser, at grafen kan være en superleder, "Siger Jarillo-Herrero.

Måske endnu vigtigere, han siger, at forskerne er i stand til at tune grafen til at opføre sig som en isolator eller en superleder, og enhver fase derimellem, udviser alle disse forskellige egenskaber i en enkelt enhed. Dette er i modsætning til andre metoder, hvor videnskabsmænd har været nødt til at dyrke og manipulere hundredvis af individuelle krystaller, som hver enkelt kan fås til at opføre sig i kun én elektronisk fase.

"Som regel, du skal dyrke forskellige klasser af materialer for at udforske hver fase, " siger Jarillo-Herrero. "Vi gør dette på stedet, i et skud, i en rent kulstofindretning. Vi kan udforske al den fysik i én enhed elektrisk, i stedet for at skulle lave hundredvis af enheder. Det kunne ikke blive nemmere."