En grafen -superleder, der spiller mere end én melodi

Forskere ved US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet en grafen -enhed, der er tyndere end et menneskehår, men har en dybde af særlige træk. Det skifter let fra et superledende materiale, der leder elektricitet uden at miste energi, til en isolator, der modstår strømmen af ​​elektrisk strøm, og tilbage igen til en superleder - alt sammen med en enkel omskifter. Deres resultater blev rapporteret i dag i journalen Natur .

"Som regel, når nogen vil studere, hvordan elektroner interagerer med hinanden i en superledende kvantefase versus en isolerende fase, de skulle se på forskellige materialer. Med vores system, du kan studere både superledningsfasen og isoleringsfasen ét sted, "sagde Guorui Chen, undersøgelsens hovedforfatter og en postdoktoral forsker i laboratoriet i Feng Wang, der ledede undersøgelsen. Wang, en fakultetsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division, er også en professor i fysik i UC Berkeley.

Grafenenheden består af tre atom tynde (2-D) lag af grafen. Når det er klemt mellem 2-D lag af bornitrid, det danner et gentaget mønster kaldet et moiré -supergitter. Materialet kunne hjælpe andre forskere med at forstå den komplicerede mekanik bag et fænomen kendt som høj temperatur superledning, hvor et materiale kan lede elektricitet uden modstand ved temperaturer højere end forventet, dog stadig hundredvis af grader under frysepunktet.

I en tidligere undersøgelse, forskerne rapporterede at observere egenskaberne af en Mott -isolator i en enhed fremstillet af trelags grafen. En Mott -isolator er en klasse af materialer, der på en eller anden måde holder op med at lede elektricitet ved hundredvis af grader under frysepunktet på trods af klassisk teori, der forudsiger elektrisk ledningsevne. Men man har længe troet, at en Mott -isolator kan blive superledende ved at tilføje flere elektroner eller positive ladninger for at gøre den superledende, Forklarede Chen.

I de sidste 10 år har forskere har undersøgt måder at kombinere forskellige 2-D materialer, starter ofte med grafen - et materiale kendt for sin evne til effektivt at lede varme og elektricitet. Ud af dette arbejde, andre forskere havde opdaget, at moiré -supergitter dannet med grafen udviser eksotisk fysik som superledningsevne, når lagene er justeret i lige den rigtige vinkel.

"Så til denne undersøgelse spurgte vi os selv, 'Hvis vores trelags grafensystem er en Mott -isolator, kan det også være en superleder? «, sagde Chen.

Åbner porten til en ny fysikverden

Arbejder med David Goldhaber-Gordon fra Stanford University og Stanford Institute for Materials and Energy Sciences ved SLAC National Accelerator Laboratory, og Yuanbo Zhang fra Fudan University, forskerne brugte et fortyndings -køleskab, som kan nå ekstremt kolde temperaturer på 40 millikelvin - eller næsten minus 460 grader Fahrenheit - for at afkøle grafen/bornitrid -enheden til en temperatur, hvor forskerne forventede, at superledning ville dukke op nær Mott -isolatorfasen, sagde Chen.

Når enheden nåede en temperatur på 4 kelvin (minus 452 grader Fahrenheit), forskerne anvendte en række elektriske spændinger til enhedens små øverste og nederste porte. Som de forventede, når de påførte et højt lodret elektrisk felt til både top- og bundportene, en elektron fyldte hver celle i grafen/bornitridanordningen. Dette fik elektronerne til at stabilisere sig og blive på plads, og denne "lokalisering" af elektroner gjorde enheden til en Mott -isolator.

Derefter, de påførte en endnu højere elektrisk spænding til portene. Til deres glæde, en anden læsning indikerede, at elektronerne ikke længere var stabile. I stedet, de kørte rundt, bevæger sig fra celle til celle, og ledning af elektricitet uden tab eller modstand. Med andre ord, enheden havde skiftet fra Mott -isolatorfasen til superlederfasen.

Chen forklarede, at bornitrid moiré superlattice på en eller anden måde øger elektron-elektron-interaktioner, der finder sted, når en elektrisk spænding tilføres enheden, en effekt, der tænder sin superledende fase. Det er også reversibelt - når der sættes en lavere elektrisk spænding på portene, enheden skifter tilbage til en isolerende tilstand.

Multitasking -enheden tilbyder forskere en lille, alsidig legeplads til at studere det udsøgte samspil mellem atomer og elektroner i eksotiske nye superledende materialer med potentiel brug i kvantecomputere - computere, der lagrer og manipulerer information i qubits, som typisk er subatomære partikler såsom elektroner eller fotoner-samt nye Mott-isoleringsmaterialer, der en dag kunne gøre bittesmå 2-D Mott-transistorer til mikroelektronik til virkelighed.

"Dette resultat var meget spændende for os. Vi havde aldrig forestillet os, at grafen/bornitrid -enheden ville gøre det så godt, "Sagde Chen." Du kan studere næsten alt med det, fra enkeltpartikler til superledning. Det er det bedste system, jeg kender til at studere nye former for fysik, "Sagde Chen.

Denne undersøgelse blev støttet af Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), et Energy Frontier Research Center ledet af Berkeley Lab og finansieret af DOE Office of Science. NPQC samler forskere på Berkeley Lab, Argonne National Laboratory, Columbia University, og UC Santa Barbara for at undersøge, hvordan kvantesammenhæng ligger til grund for uventede fænomener i nye materialer som trelags grafen, med øje for fremtidige anvendelser inden for kvanteinformationsvidenskab og teknologi.