Onderzoek vindt verrassende elektroneninteractie in grafeen met ‘magische hoek’

Onderzoekers hebben een manier ontdekt om de afstotende kracht tussen elektronen in te manipuleren “magische hoek” grafeen, dat nieuw inzicht geeft in hoe dit materiaal in staat is om elektriciteit te geleiden zonder weerstand. Krediet: Li lab / Brown University

In 2018 toonden natuurkundigen aan dat er iets interessants gebeurt als twee vellen van het nanomateriaal grafeen op elkaar worden gelegd. Wanneer een laag wordt geroteerd naar een “magische hoek” van ongeveer 1,1 graden ten opzichte van de andere, wordt het systeem een ​​supergeleider – wat betekent dat het elektriciteit zonder weerstand geleidt. Nog opwindender was dat er bewijs was dat het een onconventionele vorm van supergeleiding was – een type dat kan optreden bij temperaturen ver boven het absolute nulpunt, waar de meeste supergeleidende materialen functioneren.

Sinds de eerste ontdekking hebben onderzoekers gewerkt aan het begrijpen van deze exotische toestand van materie. Nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van natuurkundigen van de Brown University een nieuwe manier gevonden om de aard van de supergeleidende toestand in magisch-hoekgrafeen nauwkeurig te onderzoeken. De techniek stelt onderzoekers in staat om de afstotende kracht tussen verkiezingen – de Coulomb-interactie – in het systeem te manipuleren. In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap, laten de onderzoekers zien dat supergeleiding met magische hoeken robuuster wordt wanneer de Coulomb-interactie wordt verminderd, een belangrijk stuk informatie om te begrijpen hoe deze supergeleider werkt.

“Dit is de eerste keer dat iemand heeft aangetoond dat je de kracht van Coulomb-interactie direct kunt manipuleren in een sterk gecorreleerd elektronisch systeem,” zei Jia Li, een assistent-professor natuurkunde bij Brown en corresponderende auteur van het onderzoek. “Supergeleiding wordt aangedreven door de interacties tussen elektronen, dus als we die interactie kunnen manipuleren, vertelt het ons iets heel belangrijks over dat systeem. In dit geval vormt het aantonen dat zwakkere Coulomb-interactie supergeleiding versterkt, een belangrijke nieuwe theoretische beperking voor dit systeem.”

De oorspronkelijke vondst uit 2018 van potentieel onconventionele supergeleiding in grafeen met een magische hoek genereerde aanzienlijke interesse in de natuurkundegemeenschap. Grafeen – koolstofplaten van één atoom dik – is een relatief eenvoudig materiaal. Als het inderdaad onconventionele supergeleiding zou ondersteunen, zou de eenvoud van grafeen het een ideale plek maken om te onderzoeken hoe het fenomeen werkt, zegt Li.

“Onconventionele supergeleiders zijn opwindend vanwege hun hoge overgangstemperatuur en mogelijke toepassingen in kwantumcomputers, verliesvrije elektriciteitsnetten en elders,” Zei Li. “Maar we hebben nog steeds geen microscopische theorie over hoe ze werken. Daarom was iedereen zo opgewonden toen er iets gebeurde dat leek op onconventionele supergeleiding in grafeen met een magische hoek. De eenvoudige chemische samenstelling en afstembaarheid in draaihoek beloven een duidelijker beeld.”

Conventionele supergeleiding werd voor het eerst verklaard in de jaren vijftig door een groep natuurkundigen, waaronder de oude Brown-professor en Nobelprijswinnaar Leon Cooper. Ze toonden aan dat elektronen in een supergeleider het atoomrooster van een materiaal zodanig verstoren dat elektronen kwantumduo’s vormen, Cooper-paren genaamd, die ongehinderd door dat materiaal kunnen bewegen. In onconventionele supergeleiders worden elektronenparen gevormd op een manier waarvan wordt gedacht dat ze een beetje verschillen van het Cooper-mechanisme, maar wetenschappers weten nog niet wat dat mechanisme is.

Voor deze nieuwe studie bedachten Li en zijn collega’s een manier om Coulomb-interactie te gebruiken om elektronenparing in magisch-hoekgrafeen te onderzoeken. Cooper-pairing vergrendelt elektronen op een specifieke afstand van elkaar. Die koppeling concurreert met de Coulomb-interactie, die probeert de elektronen uit elkaar te duwen. Als het mogelijk zou zijn om de Coulomb-interactie te verzwakken, zouden Cooper-paren in theorie sterker gekoppeld moeten worden, waardoor de supergeleidende toestand robuuster wordt. Dat zou aanwijzingen opleveren over de vraag of het Cooper-mechanisme in het systeem plaatsvond.

Om de Coulomb-interactie voor deze studie te manipuleren, bouwden de onderzoekers een apparaat dat een vel grafeen met een magische hoek heel dicht bij een ander type grafeenvel brengt, een Bernal-dubbellaag. Omdat de twee lagen zo dun en zo dicht bij elkaar zijn, worden elektronen in het magische-hoekmonster ooit zo licht aangetrokken door positief geladen gebieden in de Bernal-laag. Die aantrekkingskracht tussen lagen verzwakt effectief de Coulomb-interactie die wordt gevoeld tussen elektronen in het magische-hoekmonster, een fenomeen dat de onderzoekers Coulomb-screening noemen.

Een kenmerk van de Bernal-laag maakte het bijzonder nuttig in dit onderzoek. De Bernal-laag kan worden geschakeld tussen een geleider en een isolator door een loodrecht op de laag aangelegde spanning te veranderen. Het Coulomb-screeningeffect treedt alleen op als de Bernal-laag zich in de geleidende fase bevindt. Dus door te schakelen tussen geleiden en isoleren en overeenkomstige veranderingen in supergeleiding te observeren, konden de onderzoekers er zeker van zijn dat wat ze zagen het gevolg was van Coulomb-screening.

Het werk toonde aan dat de supergeleidende fase sterker werd wanneer de Coulomb-interactie verzwakt was. De temperatuur waarbij de fase afgebroken werd, werd hoger en was robuuster voor magnetische velden, die supergeleiders verstoren.

“Het was een beetje verrassend om dit Coulomb-effect in dit materiaal te zien,” Zei Li. “We verwachten dat dit gebeurt in een conventionele supergeleider, maar er is veel bewijs dat suggereert dat grafeen met een magische hoek een onconventionele supergeleider is. Dus elke microscopische theorie van deze supergeleidende fase zal met deze informatie rekening moeten houden.”

Li zei dat de resultaten een eer zijn voor Xiaoxue Liu, een postdoctoraal onderzoeker bij Brown en de hoofdauteur van de studie, die het apparaat heeft gebouwd dat de bevindingen mogelijk heeft gemaakt.

“Niemand heeft ooit zoiets gebouwd,” Zei Li. “Alles moest ongelooflijk nauwkeurig zijn tot op nanometerschaal, van de draaihoek van het grafeen tot de afstand tussen de lagen. Xiaoxue heeft echt geweldig werk geleverd. We hebben ook geprofiteerd van de theoretische begeleiding van Oskar Vafek, een theoretisch fysicus van de Florida State University.”

Hoewel deze studie een kritisch nieuw stukje informatie biedt over grafeen met een magische hoek, is er nog veel meer dat de techniek zou kunnen onthullen. In deze eerste studie werd bijvoorbeeld alleen gekeken naar een deel van de faseruimte voor supergeleiding met magische hoeken. Het is mogelijk, zegt Li, dat het gedrag van de supergeleidende fase varieert in verschillende delen van de faseruimte, en verder onderzoek zal dit onthullen.

“De mogelijkheid om de Coulomb-interactie te screenen, geeft ons een nieuwe experimentele knop om deze kwantumfenomenen te helpen begrijpen,” Zei Li. “Deze methode kan worden gebruikt met elk tweedimensionaal materiaal, dus ik denk dat deze methode nuttig zal zijn bij het ontwikkelen van nieuwe soorten materialen.”