Fysikere skaber justerbar superledning i snoet grafen nanosandwich

Når to ark grafen er stablet oven på hinanden i den helt rigtige vinkel, den lagdelte struktur omdannes til en ukonventionel superleder, lader elektriske strømme passere igennem uden modstand eller spildt energi.

Denne "magiske vinkel" transformation i tolagsgrafen blev observeret for første gang i 2018 i gruppen af ​​Pablo Jarillo-Herrero, Cecil og Ida Grønne professor i fysik ved MIT. Siden da, videnskabsmænd har søgt efter andre materialer, der på samme måde kan forvandles til superledning, i det nye felt af "twistronics". For det meste, intet andet snoet materiale har udvist superledning end den originale snoede dobbeltlagsgrafen, indtil nu.

I et papir, der vises i Natur , Jarillo-Herrero og hans gruppe rapporterer at observere superledning i en sandwich af tre grafenplader, hvis mellemlag er snoet i en ny vinkel i forhold til de ydre lag. Denne nye trelagskonfiguration udviser superledning, der er mere robust end dens dobbeltlagede modstykke.

Forskerne kan også tune strukturens superledningsevne ved at anvende og variere styrken af ​​et eksternt elektrisk felt. Ved at justere trelagsstrukturen, forskerne var i stand til at producere ultra-stærkt koblet superledning, en eksotisk type elektrisk adfærd, der sjældent er set i noget andet materiale.

"Det var ikke klart, om tolagsgrafen med magisk vinkel var en exceptionel ting, men nu ved vi, at det ikke er alene; den har en fætter i trelagssagen, " siger Jarillo-Herrero. "Opdagelsen af ​​denne hypertunerbare superleder udvider twistronics-feltet i helt nye retninger, med potentielle anvendelser inden for kvanteinformation og sanseteknologier."

Hans medforfattere er hovedforfatteren Jeong Min Park og Yuan Cao ved MIT, og Kenji Watanabe og Takashi Taniguchi fra National Institute of Materials Science i Japan.

En ny super familie

Kort efter Jarillo-Herrero og hans kolleger opdagede, at superledning kunne genereres i snoet dobbeltlagsgrafen, teoretikere foreslog, at det samme fænomen kunne ses i tre eller flere lag af grafen.

Et ark grafen er et atom-tyndt lag af grafit, udelukkende lavet af kulstofatomer arrangeret i et bikagegitter, som den tyndeste, mest robuste kyllingetråd. Teoretikerne foreslog, at hvis tre ark grafen blev stablet som en sandwich, med det midterste lag drejet 1,56 grader i forhold til de ydre lag, den snoede konfiguration ville skabe en slags symmetri, der ville tilskynde elektroner i materialet til at parre sig og flyde uden modstand - kendetegnende for superledning.

"Vi troede, hvorfor ikke, lad os prøve det og teste denne idé, " siger Jarillo-Herrero.

Park og Cao konstruerede trelags grafenstrukturer ved omhyggeligt at skære et enkelt rodfæstet ark grafen i tre sektioner og stable hver sektion oven på hinanden i de præcise vinkler forudsagt af teoretikerne.

De lavede flere trelagsstrukturer, hver måler et par mikrometer på tværs (ca. 1/100 af diameteren af ​​et menneskehår), og tre atomer høje.

"Vores struktur er en nanosandwich, " siger Jarillo-Herrero.

Holdet fastgjorde derefter elektroder til hver ende af strukturerne, og kørte en elektrisk strøm igennem, mens man målte mængden af ​​tabt eller afledt energi i materialet.

"Vi så ingen energi spredes, hvilket betyder at det var en superleder, " siger Jarillo-Herrero. "Vi er nødt til at give æren til teoretikerne - de fik den rigtige vinkel."

He adds that the exact cause of the structure's superconductivity—whether due to its symmetry, as the theorists proposed, or not—remains to be seen, and is something that the researchers plan to test in future experiments.

"For the moment we have a correlation, not a causation, " he says. "Now at least we have a path to possibly explore a large family of new superconductors based on this symmetry idea."

"The biggest bang"

In exploring their new trilayer structure, the team found they could control its superconductivity in two ways. With their previous bilayer design, the researchers could tune its superconductivity by applying an external gate voltage to change the number of electrons flowing through the material. As they dialed the gate voltage up and down, they measured the critical temperature at which the material stopped dissipating energy and became superconductive. På denne måde the team was able to tune bilayer graphene's superconductivity on and off, similar to a transistor.

The team used the same method to tune trilayer graphene. They also discovered a second way to control the material's superconductivity that has not been possible in bilayer graphene and other twisted structures. By using an additional electrode, the researchers could apply an electric field to change the distribution of electrons between the structure's three layers, without changing the structure's overall electron density.

"These two independent knobs now give us a lot of information about the conditions where superconductivity appears, which can provide insight into the key physics critical to the formation of such an unusual superconducting state, " Park says.

Using both methods to tune the trilayer structure, the team observed superconductivity under a range of conditions, including at a relatively high critical temperature of 3 kelvins, even when the material had a low density of electrons. Sammenlignet med, aluminum, which is being explored as a superconductor for quantum computing, has a much higher density of electrons and only becomes superconductive at about 1 kelvin.

"We found magic-angle trilayer graphene can be the strongest coupled superconductor, meaning it superconducts at a relatively high temperature, given how few electrons it can have, " Jarillo-Herrero says. "It gives the biggest bang for your buck."

The researchers plan to fabricate twisted graphene structures with more than three layers to see whether such configurations, with higher electron densities, can exhibit superconductivity at higher temperatures, even approaching room temperature.

"If we could make these structures as they are now, at industrial scale, we could make superconducting bits for quantum computation, or cryogenic superconductive electronics, photodetectors, etc. We haven't figured out how to make billions of these at a time, " Jarillo-Herrrero says.

"Our main goal is to figure out the fundamental nature of what underlies strongly coupled superconductivity, " Park says. "Trilayer graphene is not only the strongest-coupled superconductor ever found, but also the most tunable. With that tunability we can really explore superconductivity, everywhere in the phase space."