Studie: Supergeleiding schakelt aan en uit in ‘magic-angle’ grafeen

Met wat voorzichtig draaien en stapelen hebben MIT-natuurkundigen een nieuwe en exotische eigenschap onthuld in “magische hoek” grafeen: supergeleiding die kan worden in- en uitgeschakeld met een elektrische puls, net als een lichtschakelaar.

De ontdekking zou kunnen leiden tot ultrasnelle, energie-efficiënte supergeleidende transistors voor neuromorfe apparaten – elektronica die is ontworpen om te werken op een manier die vergelijkbaar is met het snelle aan / uit-vuren van neuronen in het menselijk brein.

Magic-angle grafeen verwijst naar een heel bijzondere stapeling van grafeen – een atoomdun materiaal gemaakt van koolstofatomen die zijn verbonden in een zeshoekig patroon dat lijkt op kippengaas. Wanneer een vel grafeen op een tweede vel wordt gestapeld in een precieze “magische” hoek, creëert de gedraaide structuur een enigszins verschoven “moiré” -patroon of superrooster dat een groot aantal verrassende elektronische gedragingen kan ondersteunen.

In 2018 waren Pablo Jarillo-Herrero en zijn groep aan het MIT de eersten die met een magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen demonstreerden. Ze toonden aan dat de nieuwe dubbellaagse structuur zich als een isolator kon gedragen, net als hout, wanneer ze een bepaald continu elektrisch veld aanbrachten. Toen ze het veld verhoogden, veranderde de isolator plotseling in een supergeleider, waardoor elektronen zonder wrijving konden stromen.

Die ontdekking leidde tot ‘twistronics’, een veld dat onderzoekt hoe bepaalde elektronische eigenschappen voortkomen uit het draaien en in lagen aanbrengen van tweedimensionale materialen. Onderzoekers, waaronder Jarillo-Herrero, zijn doorgegaan met het onthullen van verrassende eigenschappen in grafeen met een magische hoek, waaronder verschillende manieren om het materiaal tussen verschillende elektronische toestanden te schakelen. Tot nu toe werkten dergelijke “schakelaars” meer als dimmers, in die zin dat onderzoekers continu een elektrisch of magnetisch veld moeten aanleggen om supergeleiding in te schakelen en aan te houden.

Nu hebben Jarillo-Herrero en zijn team aangetoond dat supergeleiding in grafeen met een magische hoek kan worden ingeschakeld en aangehouden met slechts een korte puls in plaats van een continu elektrisch veld. De sleutel, vonden ze, was een combinatie van draaien en stapelen.

In een krant die vandaag verschijnt in Natuur Nanotechnologiemeldt het team dat, door grafeen met een magische hoek tussen twee verschoven lagen boornitride – een tweedimensionaal isolatiemateriaal – te stapelen, de unieke uitlijning van de sandwichstructuur de onderzoekers in staat stelde de supergeleiding van grafeen in en uit te schakelen met een korte elektrische puls.

“Voor de overgrote meerderheid van materialen, als je het elektrische veld verwijdert, zzzzip, is de elektrische toestand verdwenen”, zegt Jarillo-Herrero, de Cecil en Ida Green hoogleraar natuurkunde aan het MIT. “Dit is de eerste keer dat een supergeleidend materiaal is gemaakt dat abrupt elektrisch kan worden in- en uitgeschakeld. Dit zou de weg kunnen banen voor een nieuwe generatie gedraaide, op grafeen gebaseerde supergeleidende elektronica.”

Zijn MIT co-auteurs zijn hoofdauteur Dahlia Klein, Li-Qiao Xia en David MacNeill, samen met Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute for Materials Science in Japan.

De schakelaar omdraaien

In 2019 ontdekte een team van Stanford University dat grafeen met een magische hoek in een ferromagnetische toestand kan worden gebracht. Ferromagneten zijn materialen die hun magnetische eigenschappen behouden, zelfs als er geen extern aangelegd magnetisch veld aanwezig is.

De onderzoekers ontdekten dat grafeen met een magische hoek ferromagnetische eigenschappen kan vertonen op een manier die kan worden in- en uitgeschakeld. Dit gebeurde toen de grafeenvellen lagen tussen twee boornitridevellen, zodat de kristalstructuur van het grafeen was uitgelijnd met een van de boornitridelagen.

De opstelling leek op een kaassandwich waarin de bovenste snee brood en de kaasoriëntaties zijn uitgelijnd, maar de onderste snee brood wordt in een willekeurige hoek gedraaid ten opzichte van de bovenste snee. Het resultaat intrigeerde de MIT-groep.

“We probeerden een sterkere magneet te krijgen door beide plakjes uit te lijnen”, zegt Jarillo-Herrero. “In plaats daarvan hebben we iets heel anders gevonden.”

In hun huidige studie vervaardigde het team een ​​sandwich van zorgvuldig gehoekte en gestapelde materialen. De “kaas” van de sandwich bestond uit grafeen met een magische hoek – twee grafeenvellen, waarvan de bovenkant lichtjes was gedraaid in de “magische” hoek van 1,1 graden ten opzichte van het onderste vel. Boven deze structuur plaatsten ze een laag boornitride, precies uitgelijnd met het bovenste grafeenvel. Ten slotte plaatsten ze een tweede laag boornitride onder de hele structuur en verschoven deze met 30 graden ten opzichte van de bovenste laag boornitride.

Het team mat vervolgens de elektrische weerstand van de grafeenlagen terwijl ze een poortspanning aanbrachten. Ze ontdekten, net als anderen, dat het gedraaide dubbellaagse grafeen van elektronische toestand wisselde en wisselde tussen isolerende, geleidende en supergeleidende toestanden. bij bepaalde bekende spanningen.

Wat de groep niet had verwacht, was dat elke elektronische toestand voortduurde in plaats van onmiddellijk te verdwijnen zodra de spanning werd verwijderd – een eigenschap die bekend staat als bistabiliteit. Ze ontdekten dat de grafeenlagen bij een bepaalde spanning in een supergeleider veranderden en supergeleidend bleven, zelfs toen de onderzoekers deze spanning verwijderden.

Dit bistabiele effect suggereert dat supergeleiding kan worden in- en uitgeschakeld met korte elektrische pulsen in plaats van een continu elektrisch veld, vergelijkbaar met het omdraaien van een lichtschakelaar. Het is niet duidelijk wat deze schakelbare supergeleiding mogelijk maakt, hoewel de onderzoekers vermoeden dat het iets te maken heeft met de speciale uitlijning van het gedraaide grafeen met beide boornitridelagen, wat een ferro-elektrische respons van het systeem mogelijk maakt. (Ferro-elektrische materialen vertonen bistabiliteit in hun elektrische eigenschappen.)

“Door aandacht te besteden aan het stapelen, zou je nog een afstemknop kunnen toevoegen aan de groeiende complexiteit van supergeleidende apparaten met magische hoeken”, zegt Klein.

Voor nu ziet het team de nieuwe supergeleidende schakelaar als een ander hulpmiddel dat onderzoekers kunnen overwegen bij het ontwikkelen van materialen voor snellere, kleinere en energiezuinigere elektronica.

“Mensen proberen elektronische apparaten te bouwen die berekeningen uitvoeren op een manier die is geïnspireerd door de hersenen”, zegt Jarillo-Herrero. “In de hersenen hebben we neuronen die, voorbij een bepaalde drempel, ze vuren. Op dezelfde manier hebben we nu een manier gevonden voor magische hoek grafeen om supergeleiding abrupt te schakelen, voorbij een bepaalde drempel. Dit is een sleuteleigenschap bij het realiseren van neuromorfisch computergebruik .”