Et materialetastatur lavet af grafen

Det er lykkedes forskere ved ETH Zürich at omdanne specialfremstillede grafenflager enten til isolatorer eller til superledere ved at påføre en elektrisk spænding. Denne teknik virker endda lokalt, hvilket betyder, at der i samme grafenflageregioner med helt forskellige fysiske egenskaber kan realiseres side om side.

Fremstillingen af ​​moderne elektroniske komponenter kræver materialer med meget forskellige egenskaber. Der er isolatorer, for eksempel, som ikke leder elektrisk strøm, og superledere, som transporterer det uden tab. For at opnå en bestemt funktionalitet af en komponent skal man normalt forbinde flere sådanne materialer sammen. Det er ofte ikke nemt, især når man har at gøre med nanostrukturer, der er i udbredt brug i dag. Et team af forskere ved ETH Zürich ledet af Klaus Ensslin og Thomas Ihn ved Laboratory for Solid State Physics er nu lykkedes med at få et materiale til at opføre sig skiftevis som en isolator eller som en superleder – eller endda som begge på forskellige steder i det samme materiale – ved blot at anvende en elektrisk spænding. Deres resultater er blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Natur nanoteknologi . Arbejdet blev støttet af Nationalt Center for Kompetence i Forskning QSIT (Quantum Science and Technology).

Grafen med en magisk vinkel

Materialet Ensslin og hans medarbejdere bruger bærer det noget besværlige navn "Magic Angle Twisted Bilayer Graphene". Faktisk, dette navn skjuler noget ret simpelt og velkendt, nemlig kulstof - om end i en bestemt form og med et særligt twist. Udgangspunktet for materialet er grafenflager, som er kulstoflag, der kun er et atom tykt. Forskerne lægger to af disse lag oven på hinanden på en sådan måde, at deres krystalakser ikke er parallelle, men lav hellere en "magisk vinkel" på præcis 1,06 grader. "Det er ret vanskeligt, og vi skal også præcist kontrollere flagernes temperatur under produktionen. Som resultat, det går ofte galt, " forklarer Peter Rickhaus, der var med i forsøgene som postdoc.

I tyve procent af forsøgene imidlertid, det virker, og grafenflagernes atomare krystalgitre skaber så et såkaldt moirémønster, hvor materialets elektroner opfører sig anderledes end i almindelig grafen. Moiré-mønstre er velkendte fra tv, for eksempel, hvor samspillet mellem et mønstret tøj og tv-billedets scanningslinjer kan føre til interessante optiske effekter. Oven på den magiske vinkel grafenflager sætter forskerne flere ekstra elektroder, som de kan bruge til at påføre en elektrisk spænding på materialet. Når de så køler alt ned til et par hundrededele af en grad over det absolutte nulpunkt, der sker noget bemærkelsesværdigt. Afhængigt af den påførte spænding, grafenflagerne opfører sig på to helt modsatte måder:enten som en superleder eller som en isolator. Denne omskiftelige superledningsevne blev allerede demonstreret i 2018 på Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA. Selv i dag er kun få grupper på verdensplan i stand til at producere sådanne prøver.

Isolator og superleder i samme materiale

Ensslin og hans kolleger går nu et skridt videre. Ved at påføre forskellige spændinger på de enkelte elektroder forvandler de den magiske vinkel grafen til en isolator på ét sted, men et par hundrede nanometer til den ene side bliver det til en superleder.

"Da vi så det, vi prøvede åbenbart først at realisere et Josephson-kryds, siger Fokko de Vries, som også er postdoc i Ensslins laboratorium. I sådanne forbindelser er to superledere adskilt af et wafertyndt isolerende lag. På denne måde strøm kan ikke flyde direkte mellem de to superledere, men skal snarere tunnelere kvantemekanisk gennem isolatoren. At, på tur, får kontaktens ledningsevne til at variere som funktion af strømmen på en karakteristisk måde, afhængig af om der anvendes jævn- eller vekselstrøm.

Mulige anvendelser inden for kvanteteknologier

ETH-forskerne formåede at producere et Josephson-kryds inde i grafenflagerne snoet af den magiske vinkel ved at bruge forskellige spændinger påført de tre elektroder, og også at måle dens egenskaber. "Nu hvor det også har virket, vi kan prøve mere komplekse enheder såsom SQUID'er, " siger de Vries. I SQUIDs ("superledende kvanteinterferensanordning") er to Josephson-forbindelser forbundet for at danne en ring. Praktiske anvendelser af sådanne enheder omfatter målinger af bittesmå magnetfelter, men også moderne teknologier som kvantecomputere. Til mulige anvendelser i kvantecomputere, et interessant aspekt er, at ved hjælp af elektroderne kan grafenflagerne omdannes ikke kun til isolatorer og superledere, men også i magneter eller såkaldte topologiske isolatorer, hvor strømmen kun kan løbe i én retning langs kanten af ​​materialet. Dette kunne udnyttes til at realisere forskellige slags kvantebits (qubits) i en enkelt enhed.

Et tastatur til materialer

"Indtil nu, imidlertid, det er bare spekulationer, " siger Ensslin. Alligevel, han er begejstret for de muligheder, der opstår ved den elektriske styring allerede nu. "Med elektroderne, vi kan praktisk talt spille klaver på grafen.« Bl.a. fysikerne håber, at dette vil hjælpe dem til at få ny indsigt i de detaljerede mekanismer, der skaber superledning i magisk vinkelgrafen.