Forskning finder overraskende elektroninteraktion i magisk vinkelgrafen

I 2018, fysikere viste, at der sker noget interessant, når to ark af nanomaterialet grafen lægges oven på hinanden. Når det ene lag roteres til en "magisk vinkel" på omkring 1,1 grader i forhold til det andet, systemet bliver en superleder - hvilket betyder, at det leder elektricitet med nul modstand. Endnu mere spændende, der var bevis for, at det var en ukonventionel form for superledning - en type, der kan ske ved temperaturer langt over det absolutte nulpunkt, hvor de fleste superledende materialer fungerer.

Siden den første opdagelse, forskere har arbejdet på at forstå denne eksotiske tilstand af stof. Nu, et forskerhold ledet af Brown University-fysikere har fundet en ny måde til præcist at undersøge arten af ​​den superledende tilstand i magisk vinkelgrafen. Teknikken gør det muligt for forskere at manipulere den frastødende kraft mellem valgene - Coulomb-interaktionen - i systemet. I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Videnskab , forskerne viser, at magisk vinkel-superledning bliver mere robust, når Coulomb-interaktion reduceres, en vigtig information til at forstå, hvordan denne superleder fungerer.

"Dette er første gang nogen har demonstreret, at du direkte kan manipulere styrken af ​​Coulomb-interaktion i et stærkt korreleret elektronisk system, " sagde Jia Li, en assisterende professor i fysik ved Brown og tilsvarende forfatter til forskningen. "Superledning er drevet af interaktioner mellem elektroner, så når vi kan manipulere den interaktion, det fortæller os noget virkelig vigtigt om det system. I dette tilfælde, at demonstrere, at svagere Coulomb-interaktion styrker superledningsevnen, giver en vigtig ny teoretisk begrænsning for dette system."

Den oprindelige opdagelse fra 2018 af potentielt ukonventionel superledning i magisk vinkelgrafen skabte betydelig interesse i fysiksamfundet. Grafen - et-atom-tykke plader af kulstof - er et relativt simpelt materiale. Hvis det faktisk understøttede ukonventionel superledning, graphens enkelhed ville gøre det til et ideelt sted at udforske, hvordan fænomenet fungerer, siger Li.

"Ukonventionelle superledere er spændende på grund af deres høje overgangstemperatur og potentielle anvendelser i kvantecomputere, tabsfri elnet og andre steder, " sagde Li. "Men vi har stadig ikke en mikroskopisk teori for, hvordan de virker. Det er derfor, alle var så begejstrede, da noget, der lignede ukonventionel superledning, skete i magisk vinkelgrafen. Dens enkle kemiske sammensætning og tunbarhed i vridningsvinkel lover et klarere billede."

Konventionel superledning blev først forklaret i 1950'erne af en gruppe fysikere, der omfattede mangeårige Brown-professor og nobelprisvinder Leon Cooper. De viste, at elektroner i en superleder forvrænger atomgitteret af et materiale på en måde, der får elektroner til at danne kvanteduoer kaldet Cooper-par, som er i stand til at bevæge sig gennem dette materiale uhindret. I ukonventionelle superledere, elektronpar dannes på en måde, der menes at være en smule anderledes end Cooper-mekanismen, men forskerne ved endnu ikke, hvad den mekanisme er.

Til denne nye undersøgelse, Li og hans kolleger fandt på en måde at bruge Coulomb-interaktion til at undersøge elektronparring i magisk vinkelgrafen. Cooper-parring låser elektroner sammen i en bestemt afstand fra hinanden. Denne parring konkurrerer med Coulomb-interaktionen, som forsøger at skubbe elektronerne fra hinanden. Hvis det var muligt at svække Coulomb-interaktionen, Cooper-par burde i teorien blive stærkere koblet, gør den superledende tilstand mere robust. Det ville give fingerpeg om, hvorvidt Cooper-mekanismen fandt sted i systemet.

For at manipulere Coulomb-interaktionen til denne undersøgelse, forskerne byggede en enhed, der bringer et ark af magisk vinkel grafen i meget tæt nærhed af en anden type grafen ark kaldet et Bernal dobbeltlag. Fordi de to lag er så tynde og så tæt på hinanden, elektroner i den magiske vinkelprøve bliver aldrig så lidt tiltrukket af positivt ladede områder i Bernal-laget. Denne tiltrækning mellem lagene svækker effektivt Coulomb-interaktionen, der mærkes mellem elektroner i den magiske vinkelprøve, et fænomen, forskerne kalder Coulomb-screening.

En egenskab ved Bernal-laget gjorde det særligt nyttigt i denne forskning. Bernal-laget kan skiftes mellem en leder til isolator ved at ændre en spænding påført vinkelret på laget. Coulomb-screeningseffekten sker kun, når Bernal-laget er i den ledende fase. Så ved at skifte mellem ledende og isolerende og observere tilsvarende ændringer i superledning, forskerne kunne sikre, at det, de så, skyldtes Coulomb-screening.

Arbejdet viste, at den superledende fase blev stærkere, da Coulomb-interaktionen blev svækket. Temperaturen, hvorved fasen brød sammen, blev højere, og var mere robust over for magnetiske felter, som forstyrrer superledere.

"At se denne Coulomb-effekt i dette materiale var en smule overraskende, " sagde Li. "Vi ville forvente at se dette ske i en konventionel superleder, alligevel er der masser af beviser, der tyder på, at magisk vinkelgrafen er en ukonventionel superleder. Så enhver mikroskopisk teori om denne superledende fase bliver nødt til at tage denne information i betragtning."

Li sagde, at resultaterne er en ære til Xiaoxue Liu, en postdoc-forsker ved Brown og studiets hovedforfatter, som byggede den enhed, der gjorde resultaterne mulige.

"Ingen har nogensinde bygget noget lignende før, " sagde Li. "Alt skulle være utrolig præcist ned til nanometerskalaen, fra snoningsvinklen af ​​grafen til afstanden mellem lagene. Xiaoxue gjorde virkelig et fantastisk stykke arbejde. Vi har også nydt godt af den teoretiske vejledning fra Oskar Vafek, en teoretisk fysiker fra Florida State University."

Mens denne undersøgelse giver et kritisk nyt stykke information om magisk vinkel grafen, der er meget mere, som teknikken kunne afsløre. For eksempel, denne første undersøgelse så kun på én del af faserummet for magisk vinkel-superledning. Er det muligt, Li siger, at den superledende fases adfærd varierer i forskellige dele af faserummet, og yderligere forskning vil afsløre det.

"Evnen til at screene Coulomb-interaktionen giver os en ny eksperimentel knap, der kan bruges til at hjælpe med at forstå disse kvantefænomener, " sagde Li. "Denne metode kan bruges med ethvert todimensionelt materiale, så jeg tror, ​​at denne metode vil være nyttig til at hjælpe med at konstruere nye typer materialer."