A Cascade megteremti a szupravezetés színterét a mágikus szögben sodrott kétrétegű grafénben

Helyezzen egyetlen szénszálat egy másik tetejére enyhe szögben, és figyelemre méltó tulajdonságok jelennek meg, beleértve a szupravezetésként ismert, nagyra értékelt ellenállás nélküli áramot.

cascade

A Princetoni kutatók egy csoportja ennek a szokatlan viselkedésnek az eredetét kereste egy mágikus szögben sodort kétrétegű grafén néven, és észlelte az energiaátmenetek kaszkádjának aláírásait, amelyek segíthetnek megmagyarázni, hogyan keletkezik ebben az anyagban a szupravezetés. A cikket június 11-én tették közzé online a Nature folyóiratban.

"Ez a tanulmány azt mutatja, hogy a varázsszög-grafén elektronjai erősen korrelált állapotban vannak még azelőtt, hogy az anyag szupravezetővé válna" - mondta Ali Yazdani, az 1909-es osztály fizika professzora, a felfedezést végző csoport vezetője. "Az a hirtelen energiaváltás, amikor elektront adunk hozzá vagy eltávolítunk ebben a kísérletben, közvetlen mérést nyújt az elektronok közötti kölcsönhatás erősségéről."

Ez azért fontos, mert ezek az energiaugrások ablakot engednek az elektronok kollektív viselkedésébe, például a szupravezetésbe, amelyek a mágikus szögben sodrott kétrétegű grafénben jelennek meg. a másikhoz képest.

A mindennapi fémekben az elektronok szabadon mozoghatnak az anyagon, de az elektronok közötti ütközések és az atomok rezgése következtében ellenállás és hőmennyiség veszteség keletkezik - ezért az elektronikus készülékek használat közben felmelegednek.

A szupravezető anyagokban az elektronok együttműködnek. "Az elektronok valahogy táncolnak egymással" - mondta Biao Lian, a Princetoni Elméleti Központ posztdoktori munkatársa, aki ősszel a fizika tanársegédjévé válik, és a tanulmány egyik társszerzője. "Együtt kell működniük, hogy ilyen figyelemre méltó állapotba kerüljenek."

Bizonyos mértékekkel Pablo Jarillo-Herrero és csapata által a Massachusettsi Műszaki Intézetben (MIT) két évvel ezelőtt felfedezett varázsszög-grafén az egyik legerősebb szupravezető, amit valaha felfedeztek. A szupravezetés viszonylag robusztus ebben a rendszerben, még akkor is, ha nagyon kevés szabadon mozgó elektron van.

A kutatók annak feltárására vállalkoztak, hogy a mágikus szögű grafén egyedülálló kristályszerkezete miként teszi lehetővé a kollektív viselkedést. Az elektronoknak nemcsak negatív töltésük van, hanem két másik jellemzőjük is: szögmomentum vagy "spin", valamint a "völgy" állapotok néven ismert kristályszerkezet lehetséges mozgásai. A spin és a völgy kombinációi alkotják az elektronok különféle "aromáit".

A csapat különösen azt akarta tudni, hogy ezek az ízek hogyan befolyásolják a kollektív viselkedést, ezért kísérleteiket olyan hőmérsékleten végezték, amely valamivel meghaladja az elektronok erős kölcsönhatásának a pontját, amelyet a kutatók a viselkedés szülőfázisához hasonlítottak.

"Megmértük az anyagban lévő elektronok közötti erőt magasabb hőmérsékleten, abban a reményben, hogy ennek az erőnek a megértése segít megérteni a szupravezetőt, amellyel alacsonyabb hőmérsékleten válik" - mondta Dillon Wong, a Princeton Complex Materials Center posztdoktori munkatársa és társszerző.

Pásztázó alagútmikroszkópnak nevezett eszközt alkalmaztak, amelyben egy vezető fémcsúcs hozzáadhat vagy eltávolíthat egy elektront a mágikus szögű grafénből, és felismerheti az elektron keletkező energiaállapotát.

Mivel az erősen kölcsönhatásban álló elektronok ellenállnak egy új elektron hozzáadásának, némi energiába kerül a további elektron hozzáadása. A kutatók megmérhetik ezt az energiát, és ebből meghatározhatják az interakciós erő erősségét.

"Szó szerint beteszek egy elektront, és látom, mennyi energiába kerül ennek az elektronnak a szövetkezeti fürdőbe tolása" - mondta Kevin Nuckolls, a Fizika Tanszék végzős hallgatója, szintén társszerző.

A csapat megállapította, hogy az egyes elektronok hozzáadása megugrotta az újabb energia hozzáadásához szükséges energiamennyiséget - ez nem így történt volna, ha az elektronok képesek bemenni a kristályba, majd szabadon mozogni az atomok között. Az így létrejövő energiaátmenetek kaszkádja az egyes elektronok ízének energiaugrásából származik - mivel az elektronoknak a lehető legalacsonyabb energiaállapotot kell feltételezniük, ugyanakkor nem azonos energiájúak és ízűek, mint a többi elektron ugyanazon a helyen. kristály-.

Kulcsfontosságú kérdés a területen az, hogy az elektronok közötti kölcsönhatások erőssége hogyan viszonyul az energiaszintekhez, amelyek az elektronoknak ilyen kölcsönhatások hiányában lettek volna. A leggyakoribb és alacsony hőmérsékletű szupravezetőknél ez kicsi korrekció, de ritka magas hőmérsékletű szupravezetőkben az elektronok közötti kölcsönhatások vélhetően drámai módon megváltoztatják az elektronok energiaszintjét. Az elektronok közötti kölcsönhatások ilyen drámai hatásának jelenlétében a szupravezetés nagyon kevéssé ismert.

A kutatók által észlelt hirtelen eltolódások kvantitatív mérései megerősítik azt a képet, hogy a mágikus szögű grafén a szupravezetők osztályába tartozik, erős kölcsönhatással az elektronok között.

A grafén egy atom vékony szénatomréteg, amely a szén kémiai tulajdonságai miatt lapos méhsejtes rácsba rendeződik. A kutatók grafént kapnak egy vékony grafitblokk - ugyanaz a tiszta szén, amelyet a ceruzákban használnak - és a felső réteg ragasztószalaggal történő eltávolításával.

Ezután két atomvékony réteget raknak egymásra, és a felső réteget pontosan 1,1 fokkal elforgatják - a varázsszöggel. Ezzel az anyag szupravezetővé válik, vagy szokatlan szigetelő vagy mágneses tulajdonságokat ér el.

"Ha 1,2 fokos vagy, akkor rossz. Ez csak egy nyájas fém. Nincs semmi érdekes. De ha 1,1 fokos vagy, akkor látod ezt az érdekes viselkedést" - mondta Nuckolls.

Ez az eltérés hozza létre a moiré mintázatnak nevezett elrendezést, amely hasonlít egy francia szövethez.

A kísérletek elvégzéséhez a kutatók egy pásztázó alagútmikroszkópot építettek Princeton fizikai épületének, a Jadwin Hallnak az alagsorában. Olyan magas, hogy két emeletet foglal el, a mikroszkóp egy gránitlap tetején ül, amely a légrugókon úszik. "Nagyon pontosan el kell különítenünk a berendezéseket, mert rendkívül érzékenyek a rezgésekre" - mondta Myungchul Oh, posztdoktori munkatárs és társszerző.

Dillon Wong, Kevin Nuckolls, Myungchul Oh és Biao Lian egyformán járultak hozzá a munkához.

További hozzájárulásokat tett Yonglong Xie, aki PhD fokozatot szerzett. 2019-ben, és jelenleg a Harvard Egyetem posztdoktori kutatója; Sangjun Jeon, aki jelenleg a szöuli Chung-Ang Egyetem adjunktusa; Kenji Watanabe és Takashi Taniguchi, a Japán Nemzeti Anyagtudományi Intézet (NIMS); és Princetoni fizika professzor B. Andrei Bernevig.

Az elektronikus fázisátalakulások hasonló lépcsőjét egy, a Nature-ben június 11-én egyidejűleg megjelent tanulmányban figyelték meg, amelyet Shahal Ilani vezetett az izraeli Weizmann Tudományos Intézetben, Jarillo-Herrero és az MIT munkatársai, Takashi Taniguchi és Kenji Watanabe a Japán NIMS, valamint a Berlini Szabadegyetem kutatói.

"A Weizmann csapat ugyanazokat az átmeneteket figyelte meg, mint mi, egészen más technikával" - mondta Yazdani. "Öröm látni, hogy adataik mind a méréseinkkel, mind az értelmezésünkkel kompatibilisek."