Låsning af grafeners superledende kræfter med et twist og et klem

Teaser:Et Columbia-ledet team har opdaget en ny metode til at manipulere den elektriske ledningsevne af dette spilskiftende materiale, den stærkeste man kender med applikationer lige fra nano-elektroniske enheder til ren energi.

Graphene er blevet indvarslet som et vidundermateriale. Det er ikke kun det stærkeste, det tyndeste materiale, der nogensinde er opdaget, dets enestående evne til at lede varme og elektricitet baner vejen for innovation på områder, der spænder fra elektronik til energi til medicin.

Nu, et team på Columbia University-ledet har udviklet en ny metode til finjustering af tilstødende lag af grafen-lacy, honningkagelignende plader af carbonatomer-for at fremkalde superledning. Deres forskning giver ny indsigt i fysikken, der ligger til grund for dette todimensionale materiales spændende egenskaber.

Holdets papir er offentliggjort i udgaven af ​​24. januar Videnskab .

"Vores arbejde viser nye måder at fremkalde supraledelse i snoet to -lags grafen, i særdeleshed, opnået ved at lægge pres på, "sagde Cory Dean, adjunkt i fysik ved Columbia og undersøgelsens hovedforsker. "Det giver også en kritisk første bekræftelse af sidste års MIT -resultater - at to -lags grafen kan udvise elektroniske egenskaber, når det vrides i en vinkel - og fremmer vores forståelse af systemet, hvilket er ekstremt vigtigt for dette nye forskningsområde. "

I marts 2018 rapporterede forskere ved Massachusetts Institute of Technology en banebrydende opdagelse af, at to grafenlag kan lede elektricitet uden modstand, når vridningsvinklen mellem dem er 1,1 grader, kaldet "den magiske vinkel".

Men at ramme den magiske vinkel har vist sig svært. "Lagene skal vrides til omkring en tiendedel af graden omkring 1.1, som er eksperimentelt udfordrende, "Sagde Dean." Vi fandt ud af, at meget små justeringsfejl kunne give helt andre resultater. "

Så Dean og hans kolleger, der omfatter forskere fra National Institute for Materials Science og University of California, Santa Barbara, satte sig for at teste, om magiske vinkelforhold kunne opnås ved større rotationer.

"I stedet for at forsøge at præcist kontrollere vinklen, vi spurgte, om vi i stedet kunne variere afstanden mellem lagene, "sagde Matthew Yankowitz, en postdoktoral forsker i Columbia's fysikafdeling og første forfatter på undersøgelsen. "På denne måde kan enhver vridningsvinkel, i princippet, blive forvandlet til en magisk vinkel. "

De studerede en prøve med en vridningsvinkel på 1,3 grader - kun lidt større end den magiske vinkel, men stadig langt nok væk til at udelukke superledning.

Anvendelse af tryk forvandlede materialet fra et metal til enten en isolator - hvor elektricitet ikke kan strømme - eller en superleder - hvor elektrisk strøm kan passere uden modstand - afhængigt af antallet af elektroner i materialet.

"Bemærkelsesværdigt, ved at lægge tryk på over 10, 000 atmosfærer observerer vi fremkomsten af ​​de isolerende og superledende faser, "Sagde Dean. Derudover, superledningen udvikler sig ved den hidtil højeste temperatur observeret i grafen, lidt over 3 grader over det absolutte nul. "

For at nå det høje tryk, der er nødvendigt for at fremkalde superledning, arbejdede teamet tæt sammen med National High Magnetic Field -brugerfaciliteten, kendt som Maglab, i Tallahassee, Florida.

"Denne indsats var en enorm teknisk udfordring, "sagde Dean." Efter at have fremstillet en af ​​de mest unikke enheder, vi nogensinde har arbejdet med, vi måtte derefter kombinere kryogene temperaturer, høje magnetfelter, og højt tryk - alt sammen mens man måler elektrisk respons. At sammensætte alt dette var en skræmmende opgave, og vores evne til at få det til at fungere er virkelig en hyldest til den fantastiske ekspertise på Maglab. "

Forskerne mener, at det kan være muligt at øge den kritiske temperatur for superledningen yderligere ved endnu højere tryk. Det endelige mål er at en dag udvikle en superleder, der kan fungere under stuetemperaturforhold, og selvom dette kan vise sig at være udfordrende i grafen, det kan tjene som en køreplan for at nå dette mål i andre materialer.

Andrea Young, adjunkt i fysik ved UC Santa Barbara, en samarbejdspartner om undersøgelsen, sagde værket klart demonstrerer, at klemming af lagene har samme effekt som at vride dem og tilbyder et alternativt paradigme til manipulation af de elektroniske egenskaber i grafen.

"Vores fund slækker betydeligt de begrænsninger, der gør det udfordrende at studere systemet og giver os nye knapper til at kontrollere det, "Sagde Young.

Dean og Young vrider og klemmer nu en række atom-tynde materialer i håb om at finde superledning i nye todimensionale systemer.

"At forstå 'hvorfor' noget af dette sker er en formidabel udfordring, men kritisk for i sidste ende at udnytte dette materiales kraft - og vores arbejde begynder at opklare mysteriet, «Sagde Dean.