In een zee van magische hoeken zorgen ’twistons’ ervoor dat elektronen door drie lagen grafeen stromen

De ontdekking van supergeleiding in twee ooit zo licht gedraaide lagen grafeen veroorzaakte een paar jaar geleden golven in de gemeenschap van kwantummaterialen. Met slechts twee atoomdunne vellen koolstof hadden onderzoekers een eenvoudig apparaat ontdekt om de weerstandsvrije stroom van elektriciteit te bestuderen, naast andere verschijnselen die verband houden met de beweging van elektronen door een materiaal.

Maar de draaihoek tussen de twee lagen moet precies goed zijn – bij de zogenaamde “magie” hoek van 1,1 graden – voor de te observeren verschijnselen. Dat komt omdat atomen in de lagen de draaiing willen weerstaan ​​en terug willen ‘ontspannen’ naar een hoek van nul, legt Joshua Swann, een Ph.D. student in het Dean Lab in Columbia. Naarmate magische hoeken verdwijnen, verdwijnt ook supergeleiding.

Het toevoegen van een derde laag grafeen vergroot de kans op het vinden van supergeleiding, maar de reden was onduidelijk. Inschrijven Wetenschaponthullen onderzoekers van Columbia nieuwe details over de fysieke structuur van drielaags grafeen die helpen verklaren waarom drie lagen beter zijn dan twee voor het bestuderen van supergeleiding.

Met behulp van een microscoop die in staat is om beeldvorming tot op het niveau van individuele atomen te maken, zag het team dat groepen atomen in sommige gebieden opstegen tot wat Simon Turkel, een Ph.D. student in het Pasupathy Lab, genaamd “draaiingen.” Deze twistons verschenen op een geordende manier, waardoor het apparaat als geheel beter de magische hoeken kon behouden die nodig zijn om supergeleiding te laten optreden.

Het is een bemoedigend resultaat, zei Swann, die het apparaat voor het onderzoek bouwde. “Ik heb 20 of 30 dubbellaagse grafeen apparaten gemaakt en misschien twee of drie gezien die supergeleidend waren,” hij zei. “Met drie lagen kunt u eigenschappen verkennen die moeilijk te bestuderen zijn in dubbellaagse systemen.”

Die eigenschappen overlappen met een klasse van complexe materialen, de cuprates, die supergeleidend zijn bij een relatief hoge temperatuur van -220 ° F. Een beter begrip van de oorsprong van supergeleiding zou onderzoekers kunnen helpen bij het ontwikkelen van draden die geen energie verliezen omdat ze elektriciteit geleiden, of apparaten die niet op dure lage temperaturen hoeven te worden bewaard.

In de toekomst hopen onderzoekers wat ze zien in hun scans te koppelen aan metingen van kwantumverschijnselen in drielaagse apparaten. “Als we deze twistons kunnen beheersen, die allemaal afhankelijk zijn van de hoekmismatch tussen de bovenste en onderste lagen van het apparaat, kunnen we systematische studies doen naar hun effecten op supergeleiding,” zei Turkel. “Het is een spannende open vraag.”