Afmasker superledningsmagien i snoet grafen

Opdagelsen i 2018 af superledning i to enkeltatom-tykke lag af grafen stablet i en præcis vinkel på 1,1 grader (kaldet 'magisk'-vinkel snoet dobbeltlagsgrafen) kom som en stor overraskelse for det videnskabelige samfund. Siden opdagelsen har fysikere spurgt, om magisk grafens superledningsevne kan forstås ved hjælp af eksisterende teori, eller om der kræves fundamentalt nye tilgange - såsom dem, der er opstillet for at forstå den mystiske keramiske forbindelse, der superleder ved høje temperaturer. Nu, som rapporteret i tidsskriftet Nature , Princeton-forskere har afgjort denne debat ved at vise en uhyggelig lighed mellem superledningsevnen af ​​magisk grafen og højtemperatur-superledernes. Magisk grafen kan være nøglen til at låse op for nye mekanismer for superledning, herunder superledning ved høj temperatur.

Ali Yazdani, klassen i 1909 professor i fysik og direktør for Center for komplekse materialer ved Princeton University ledede forskningen. Han og hans team har studeret mange forskellige typer superledere gennem årene og har for nylig rettet deres opmærksomhed mod magisk dobbeltlagsgrafen.

"Nogle har hævdet, at magisk dobbeltlagsgrafen faktisk er en almindelig superleder forklædt i et ekstraordinært materiale," sagde Yazdani, "men da vi undersøgte det mikroskopisk, har det mange af egenskaberne ved højtemperatur-kuprat-superledere. Det er et déjà vu-øjeblik."

Superledning er et af naturens mest spændende fænomener. Det er en tilstand, hvor elektroner flyder frit uden modstand. Elektroner er subatomære partikler, der bærer negative elektriske ladninger; de er afgørende for vores livsstil, fordi de driver vores daglige elektronik. Under normale omstændigheder opfører elektroner sig uregelmæssigt, hopper og støder mod hinanden på en måde, der i sidste ende er ineffektiv og spilder energi.

Men under superledning parrer elektroner sig pludselig og begynder at strømme i forening, som en bølge. I denne tilstand mister elektronerne ikke kun energi, men de viser også mange nye kvanteegenskaber. Disse egenskaber har givet mulighed for en række praktiske anvendelser, herunder magneter til MRI'er og partikelacceleratorer samt til fremstilling af kvantebits, der bliver brugt til at bygge kvantecomputere. Superledning blev først opdaget ved ekstremt lave temperaturer i elementer som aluminium og niobium. I de senere år er det fundet tæt på stuetemperaturer under ekstraordinært højt tryk, og også ved temperaturer lige over kogepunktet for flydende nitrogen (77 grader Kelvin) i keramiske forbindelser.

Men ikke alle superledere er skabt lige.

Superledere lavet af rene elementer som aluminium er, hvad forskere kalder konventionelle. Den superledende tilstand - hvor elektronerne parrer sig - forklares af det, der kaldes Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) teorien. Dette har været standardbeskrivelsen af ​​superledning, der har eksisteret siden slutningen af ​​1950'erne. Men fra slutningen af ​​1980'erne blev der opdaget nye superledere, som ikke passede til BCS-teorien. Mest bemærkelsesværdig blandt disse "ukonventionelle" superledere er de keramiske kobberoxider (kaldet cuprates), som har været en gåde i de sidste tredive år.

Den oprindelige opdagelse af superledning i magisk dobbeltlagsgrafen af ​​Pablo Jarillo-Herrero og hans team ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) viste, at materialet først starter som en isolator, men med en lille tilføjelse af ladningsbærere bliver det superledende. Fremkomsten af ​​superledning fra en isolator, snarere end et metal, er et af kendetegnene for mange ukonventionelle superledere, herunder mest berømt cuprates.

"De havde mistanke om, at superledning kunne være ukonventionel, ligesom cupraterne, men de havde desværre ikke nogen specifikke eksperimentelle målinger af den superledende tilstand til at understøtte denne konklusion," sagde Myungchul Oh, en postdoktoral forskningsmedarbejder og en af ​​de ledende medforfattere til papiret.

For at undersøge de superledende egenskaber af magisk dobbeltlagsgrafen brugte Oh og hans kolleger et scanning tunneling mikroskop (STM) til at se den uendeligt lille og komplekse verden af ​​elektroner. Denne enhed er afhængig af et nyt fænomen kaldet "kvantetunneling", hvor elektroner ledes mellem den skarpe metalliske spids af mikroskopet og prøven. Mikroskopet bruger denne tunnelstrøm i stedet for lys til at se elektronernes verden på atomskalaen.

"STM er et perfekt værktøj til at udføre disse typer eksperimenter," sagde Kevin Nuckolls, en kandidatstuderende i fysik og en af ​​papirets hovedmedforfattere. "Der er mange forskellige målinger, som STM kan udføre. Den kan få adgang til fysiske variabler, der typisk er utilgængelige for andre [eksperimentelle teknikker]."

Da holdet analyserede dataene, lagde de mærke til to hovedkarakteristika, eller "signaturer", der skilte sig ud, hvilket viste dem, at den magiske dobbeltlagsgrafenprøve udviste ukonventionel superledning. Den første signatur var, at de parrede elektroner, der superleder, har et endeligt vinkelmomentum, en adfærd analog med den, der fandtes i højtemperatur-kupraterne for tyve år siden. Når par dannes i en konventionel superleder, har de ikke et netto vinkelmomentum, på en måde, der er analog med en elektron bundet til hydrogenatomet i brintets s-orbital.

STM fungerer ved at tunnelere elektroner ind og ud af prøven. I en superleder, hvor alle elektronerne er parret, er strømmen mellem prøven og STM-spidsen kun mulig, når superlederens par er brudt fra hinanden. "Det kræver energi at bryde parret fra hinanden, og energiafhængigheden af ​​denne strøm afhænger af arten af ​​parringen. I magisk grafen fandt vi den energiafhængighed, der forventes for endelig momentumparring," sagde Yazdani. "Dette fund begrænser stærkt den mikroskopiske mekanisme for parring i magisk grafen."

Princeton-holdet opdagede også, hvordan magisk dobbeltlagsgrafen opfører sig, når den superledende tilstand slukkes ved at øge temperaturen eller anvende et magnetfelt. I konventionelle superledere er materialets opførsel den samme som for et normalt metal, når superledning dræbes - elektronerne parrer sig. Men i ukonventionelle superledere ser elektronerne ud til at bevare en vis korrelation, selv når de ikke er superledende, en situation, der manifesterer sig, når der er nogenlunde en tærskelenergi til at fjerne elektroner fra prøven. Fysikere omtaler denne tærskelenergi som en "pseudogap", en adfærd, der findes i den ikke-superledende tilstand af mange ukonventionelle superledere. Dens oprindelse har været et mysterium i mere end tyve år.

"En mulighed er, at elektroner stadig er noget parret sammen, selvom prøven ikke er superledende," sagde Nuckolls. "Sådan en pseudogap-tilstand er som en fejlslagen superleder."

Den anden mulighed, noteret i Nature papir, er, at en anden form for kollektiv elektronisk tilstand, som er ansvarlig for pseudogap, først skal dannes, før superledning kan opstå.

"Uanset hvad, kan ligheden af ​​en eksperimentel signatur af en peusdogap med cuprates såvel som endelig momentumparring ikke være en tilfældighed," sagde Yazdani. "Disse problemer ser meget relaterede ud."

Fremtidig forskning, sagde Oh, vil involvere at forsøge at forstå, hvad der får elektroner til at parre sig i ukonventionel superledning - et fænomen, der fortsætter med at irritere fysikere. BCS teori er afhængig af svag interaktion mellem elektroner med deres parring muliggjort på grund af deres gensidige interaktion med den underliggende vibration af ionerne. Parringen af ​​elektroner i ukonventionelle superledere er dog ofte meget stærkere end i simple metaller, men dens årsag - "limen", der binder dem sammen - er i øjeblikket ikke kendt.

"Jeg håber, at vores forskning vil hjælpe fysiksamfundet til bedre at forstå mekanikken bag ukonventionel superledning," sagde Oh. "Vi håber endvidere, at vores forskning vil motivere eksperimentelle fysikere til at arbejde sammen for at afdække arten af ​​dette fænomen."

Undersøgelsen, "Evidence for Unconventional Superconductivity in Twisted Bilayer Graphene," blev offentliggjort 20. oktober 2021 i tidsskriftet Nature . + Udforsk yderligere

Forskning finder overraskende elektroninteraktion i grafen med 'magisk vinkel'