Natuurkundigen creëren instelbare supergeleiding in gedraaid grafeen ‘nanosandwich’

Wanneer twee vellen grafeen in precies de juiste hoek op elkaar worden gestapeld, verandert de gelaagde structuur in een onconventionele supergeleider, waardoor elektrische stromen kunnen passeren zonder weerstand of verspilde energie.

Deze “magische hoek” -transformatie in dubbellaags grafeen werd voor het eerst waargenomen in 2018 in de groep van Pablo Jarillo-Herrero, de Cecil en Ida Green Professor of Physics aan het MIT. Sindsdien hebben wetenschappers gezocht naar andere materialen die op dezelfde manier in supergeleiding kunnen worden gedraaid, in het opkomende gebied van ’twistronics’. Voor het grootste deel heeft geen enkel ander gedraaid materiaal tot nu toe supergeleiding vertoond dan het originele gedraaide dubbellaagse grafeen.

In een artikel dat verschijnt in NatuurJarillo-Herrero en zijn groep rapporteren dat ze supergeleiding hebben waargenomen in een sandwich van drie grafeenplaten, waarvan de middelste laag onder een nieuwe hoek is gedraaid ten opzichte van de buitenste lagen. Deze nieuwe drielagige configuratie vertoont supergeleiding die robuuster is dan zijn dubbellaagse tegenhanger.

De onderzoekers kunnen de supergeleiding van de structuur ook afstemmen door de sterkte van een extern elektrisch veld aan te brengen en te variëren. Door de drielagige structuur af te stemmen, waren de onderzoekers in staat om ultrasterk gekoppelde supergeleiding te produceren, een exotisch type elektrisch gedrag dat zelden in enig ander materiaal is waargenomen.

“Het was niet duidelijk of magisch-hoek-dubbellaaggrafeen een uitzonderlijk iets was, maar nu weten we dat het niet de enige is; het heeft een neef in de drielagige behuizing”, zegt Jarillo-Herrero. “De ontdekking van deze hypertunabiele supergeleider breidt het twistronics-veld in geheel nieuwe richtingen uit, met mogelijke toepassingen in kwantuminformatie en sensortechnologieën.”

Zijn co-auteurs zijn hoofdauteur Jeong Min Park en Yuan Cao aan het MIT, en Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute of Materials Science in Japan.

Een nieuwe superfamilie

Kort nadat Jarillo-Herrero en zijn collega’s ontdekten dat supergeleiding kan worden gegenereerd in gedraaid dubbellaags grafeen, stelden theoretici voor dat hetzelfde fenomeen zou kunnen worden waargenomen in drie of meer lagen grafeen.

Een laag grafeen is een atoomdunne laag grafiet, volledig gemaakt van koolstofatomen gerangschikt in een honingraatrooster, zoals het dunste, stevigste kippengaas. De theoretici stelden voor dat als drie vellen grafeen als een sandwich zouden worden gestapeld, met de middelste laag 1,56 graden gedraaid ten opzichte van de buitenste lagen, de gedraaide configuratie een soort symmetrie zou creëren die elektronen in het materiaal zou aanmoedigen om te paren en stroming zonder weerstand – het kenmerk van supergeleiding.

“We dachten: laten we het eens proberen en dit idee testen”, zegt Jarillo-Herrero.

Park en Cao hebben drielaagse grafeenstructuren ontworpen door zorgvuldig een enkel ragfijn vel grafeen in drie secties te snijden en elke sectie op elkaar te stapelen onder de precieze hoeken die door de theoretici zijn voorspeld.

Ze maakten verschillende drielagige structuren, elk met een diameter van enkele micrometers (ongeveer 1/100 van de diameter van een mensenhaar) en drie atomen lang.

“Onze structuur is een nanosandwich”, zegt Jarillo-Herrero.

Het team bevestigde vervolgens elektroden aan beide uiteinden van de structuren en voerde een elektrische stroom door terwijl het de hoeveelheid verloren of gedissipeerde energie in het materiaal meet.

“We zagen geen energie verloren gaan, wat betekent dat het een supergeleider was”, zegt Jarillo-Herrero. ‘We moeten de theoretici erkennen – zij hebben de juiste invalshoek.’

Hij voegt eraan toe dat de exacte oorzaak van de supergeleiding van de structuur – al dan niet vanwege de symmetrie, zoals de theoretici hebben voorgesteld, of niet – nog moet worden bezien, en dat het iets is dat de onderzoekers in toekomstige experimenten willen testen.

“Momenteel hebben we een verband, geen oorzakelijk verband”, zegt hij. “Nu hebben we tenminste een pad om mogelijk een grote familie van nieuwe supergeleiders te verkennen op basis van dit symmetrie-idee.”

“De grootste knal”

Bij het verkennen van hun nieuwe drielagige structuur ontdekte het team dat ze de supergeleiding op twee manieren konden beheersen. Met hun vorige dubbellaagontwerp konden de onderzoekers de supergeleiding ervan afstemmen door een externe poortspanning toe te passen om het aantal elektronen dat door het materiaal stroomt te veranderen. Terwijl ze de poortspanning op en neer draaiden, maten ze de kritische temperatuur waarbij het materiaal stopte met het afvoeren van energie en supergeleidend werd. Op deze manier kon het team de supergeleiding van dubbellaags grafeen aan- en uitzetten, vergelijkbaar met een transistor.

Het team gebruikte dezelfde methode om drielaags grafeen af ​​te stemmen. Ze ontdekten ook een tweede manier om de supergeleiding van het materiaal te beheersen die niet mogelijk was in dubbellaags grafeen en andere gedraaide structuren. Door een extra elektrode te gebruiken, konden de onderzoekers een elektrisch veld aanleggen om de verdeling van elektronen tussen de drie lagen van de structuur te veranderen, zonder de algehele elektronendichtheid van de structuur te veranderen.

“Deze twee onafhankelijke knoppen geven ons nu veel informatie over de omstandigheden waarin supergeleiding optreedt, wat inzicht kan geven in de belangrijkste fysica die cruciaal is voor de vorming van zo’n ongebruikelijke supergeleidende toestand”, zegt Park.

Door beide methoden te gebruiken om de drielagige structuur af te stemmen, observeerde het team supergeleiding onder een reeks omstandigheden, waaronder bij een relatief hoge kritische temperatuur van 3 Kelvin, zelfs als het materiaal een lage elektronendichtheid had. Ter vergelijking: aluminium, dat wordt onderzocht als een supergeleider voor quantumcomputers, heeft een veel hogere elektronendichtheid en wordt pas supergeleidend bij ongeveer 1 kelvin.

“We ontdekten dat drielaags grafeen met een magische hoek de sterkste gekoppelde supergeleider kan zijn, wat betekent dat het supergeleidend is bij een relatief hoge temperatuur, gezien het aantal elektronen dat het kan hebben”, zegt Jarillo-Herrero. “Het geeft de grootste waar voor je geld.”

De onderzoekers zijn van plan om gedraaide grafeenstructuren te fabriceren met meer dan drie lagen om te zien of dergelijke configuraties, met hogere elektronendichtheden, supergeleiding kunnen vertonen bij hogere temperaturen, zelfs bij kamertemperatuur.

“Als we deze structuren zouden kunnen maken zoals ze nu zijn, op industriële schaal, zouden we supergeleidende bits kunnen maken voor kwantumberekeningen, of cryogene supergeleidende elektronica, fotodetectoren, enz. We hebben nog niet ontdekt hoe we er miljarden tegelijk kunnen maken, ‘Jarillo-Herrrero zegt.

“Ons belangrijkste doel is om de fundamentele aard te achterhalen van wat ten grondslag ligt aan sterk gekoppelde supergeleiding”, zegt Park. “Drielaags grafeen is niet alleen de sterkst gekoppelde supergeleider die ooit is gevonden, maar ook de meest afstembare. Met die afstembaarheid kunnen we supergeleiding echt onderzoeken, overal in de faseruimte.”