Fizycy z MIT odkryli, że grafen trójwarstwowy „magiczny kąt” może być rzadkim nadprzewodnikiem odpornym na pola magnetyczne.

Fizycy z Massachusetts Institute of Technology zauważyli oznaki rzadkiego typu nadprzewodnictwa w materiale zwanym „magicznym kątem” skręconego trójwarstwowego grafenu. Źródło: dzięki uprzejmości Pablo Jarillo-Herrero, Yuan Cao, Jeong Min Park i in.

Nowe odkrycia mogą pomóc w projektowaniu potężniejszych maszyn do rezonansu magnetycznego lub potężnych komputerów kwantowych.

Fizycy z Massachusetts Institute of Technology zauważyli oznaki rzadkiego typu nadprzewodnictwa w materiale zwanym trójwarstwowym grafenem skręconym pod magicznym kątem. W badaniu pojawiającym się w NaturaNaukowcy donoszą, że materiał wykazuje nadprzewodnictwo w zaskakująco wysokich polach magnetycznych do 10 tesli, czyli trzy razy więcej niż oczekiwano by wytrzymały materiał, gdyby był konwencjonalnym nadprzewodnikiem.

Wyniki silnie sugerują, że magiczny trójwarstwowy grafen, który został początkowo odkryty przez tę samą grupę, jest bardzo rzadkim typem nadprzewodnika, znanym jako „tryplet spinowy”, nieprzepuszczalnym dla silnych pól magnetycznych. Takie egzotyczne nadprzewodniki mogą znacznie ulepszyć techniki, takie jak obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego, które wykorzystują przewody nadprzewodzące w polu magnetycznym do rezonansu z tkankami biologicznymi i ich obrazowania. Maszyny MRI są obecnie ograniczone do pól magnetycznych od 1 do 3 Tesli. Gdyby można je było zbudować przy użyciu nadprzewodników o potrójnym spinie, rezonans magnetyczny mógłby działać pod wyższymi polami magnetycznymi, aby uzyskać wyraźniejsze, głębsze obrazy ludzkiego ciała.

Nowe dowody na nadprzewodnictwo trójspinowe w trójwarstwowym grafenie mogą również pomóc naukowcom w projektowaniu silniejszych nadprzewodników do praktycznych obliczeń kwantowych.

„Wartością tego eksperymentu jest to, czego uczy nas on o podstawowym nadprzewodnictwie i o tym, jak materiały mogą się zachowywać, tak że dzięki tym lekcjom możemy spróbować zaprojektować zasady dla innych materiałów, które są łatwiejsze do wytworzenia i być może da to lepsze nadprzewodnictwo. ” mówi Pablo Jarillo-Herrero, Cecil i Ida Green, profesor fizyki w Massachusetts Institute of Technology.

Współautorami artykułu są Yuan Kao i doktorant Jeong Min Park z Massachusetts Institute of Technology, Kenji Watanabe i Takashi Taniguchi z Narodowego Instytutu Nauki o Materiałach w Japonii.

dziwna transformacja

Materiały nadprzewodzące charakteryzują się wysoką sprawnością przewodzenia elektryczności bez strat energii. Pod wpływem prądu elektrycznego elektrony w nadprzewodniku łączą się w „pary miedziane”, które następnie przemieszczają się przez materiał bez oporu, jak pasażerowie szybkiego pociągu.

W ogromnej większości nadprzewodników te pary pasażerów mają przeciwny spin, przy czym jeden elektron wiruje w górę, a drugi w dół — konfiguracja znana jako „singular spinu”. Pary te są przyspieszane przez nadprzewodnik, z wyjątkiem silnych pól magnetycznych, które mogą przesuwać energię każdego elektronu w przeciwnych kierunkach, oddzielając parę od siebie. W ten sposób i poprzez mechanizmy silne pola magnetyczne mogą zakłócać nadprzewodnictwo w konwencjonalnych nadprzewodnikach spinowych.

„To główny powód, dla którego nadprzewodnictwo znika w wystarczająco dużym polu magnetycznym” – mówi Park.

Istnieje jednak kilka dziwnych nadprzewodników, na które nie mają wpływu pola magnetyczne, nawet o bardzo dużej sile. Materiały te przenoszą nadprzewodnictwo przez pary elektronów o tym samym spinie – właściwość znana jako „potrójny spin”. Pod wpływem silnych pól magnetycznych energia obu elektronów w parze Coopera przesuwa się w tym samym kierunku, w taki sposób, że nie są one od siebie oddzielone, ale bez zakłóceń kontynuują nadprzewodnictwo, niezależnie od natężenia pola magnetycznego.

Grupa Jarillo-Herrero była ciekawa, czy trójwarstwowy grafen o magicznym kącie może nieść wskazówki na temat niezwykłego nadprzewodnictwa trójspinowego. Zespół wykonał przełomową pracę badającą struktury grafenowej mory — warstwy siatek węglowych o grubości atomu, które po ułożeniu pod określonymi kątami mogą prowadzić do zaskakujących zachowań elektronicznych.

Naukowcy początkowo zgłosili takie osobliwe właściwości w dwóch ustawionych pod kątem arkuszach grafenu, które nazwali magicznym dwuwarstwowym grafenem. Wkrótce przeszli testy trójwarstwowego grafenu, formacji warstwowej składającej się z trzech arkuszy grafenu, która okazała się mocniejsza niż jej dwuwarstwowy odpowiednik, zachowując jednocześnie nadprzewodnictwo w wyższych temperaturach. Kiedy badacze zastosowali skromne pole magnetyczne, zauważyli, że trójwarstwowy grafen był zdolny do nadprzewodnictwa przy sile pola, które zniszczyłoby nadprzewodnictwo w dwuwarstwowym grafenie.

„Pomyśleliśmy, że to bardzo dziwna rzecz” – mówi Jarilo Herrero.

cudowny powrót

W swoim nowym badaniu fizycy przetestowali nadprzewodnictwo trójwarstwowego grafenu w coraz wyższych polach magnetycznych. Wyprodukowali materiał, złuszczając cienkie warstwy węgla z bloku grafitu, układając trzy warstwy razem i obracając warstwę środkową o 1,56 stopnia w stosunku do warstw zewnętrznych. Przymocowali elektrodę do obu końców materiału, aby przepuścić przez nią prąd i zmierzyć energię traconą w procesie. Następnie włączyli w laboratorium duży magnes, którego pole skierowali równolegle do materiału.

Kiedy zwiększyli pole magnetyczne wokół trójwarstwowego grafenu, zauważyli, że nadprzewodnictwo utrzymywało się dość mocno, zanim zniknęło, ale potem pojawiło się ponownie w intrygujący sposób przy wyższych natężeniach pola – bardzo niezwykłe odrodzenie, o którym nie wiadomo w przypadku konwencjonalnych nadprzewodników.

„W nadprzewodnikach jednoobrotowych, jeśli zabijesz nadprzewodnictwo, nigdy nie wróci – zniknie na zawsze” – mówi Kao. „Tutaj pojawił się ponownie. Więc to zdecydowanie wskazuje, że ten materiał nie jest pojedynczym kawałkiem”.

Zauważyli również, że po „ponownym wejściu” nadprzewodnictwo utrzymywało się do 10 tesli, maksymalnej siły pola, jaką może wytworzyć magnes laboratoryjny. Jest to około trzy razy więcej niż to, co musiałby wytrzymać nadprzewodnik, gdyby był konwencjonalnym pojedynczym spinem, zgodnie z limitem Pauliego, teorią, która przewiduje maksymalne pole magnetyczne, w którym materiał może zachować nadprzewodnictwo.

Pojawienie się nadprzewodnictwa trójwarstwowego grafenu w połączeniu z jego stabilnością w wyższych niż oczekiwano polach magnetycznych wyklucza możliwość, że materiał jest zwykłym nadprzewodnikiem. Zamiast tego prawdopodobnie jest to bardzo rzadki, prawdopodobnie tripletowy gatunek, w którym znajdują się pary Coopera, które poruszają się w materiale, nieprzepuszczalne dla silnych pól magnetycznych. Zespół planuje zagłębić się w materiał, aby potwierdzić jego dokładny stan spinu, co może pomóc zaprojektować mocniejsze rezonanse magnetyczne, a także mocniejsze komputery kwantowe.

„Zwykłe obliczenia kwantowe są bardzo delikatne” — mówi Jarillo Herrero. Patrzysz na to i znika homo. Około 20 lat temu teoretycy zaproponowali rodzaj topologicznego nadprzewodnictwa, który, jeśli zostanie osiągnięty w dowolnym materiale, może [enable] Komputer kwantowy, w którym stany odpowiedzialne za obliczenia są bardzo silne. Dałoby to więcej nieskończonej mocy obliczeniowej. Kluczowym elementem, o którym należy pamiętać, są nadprzewodniki o potrójnym spinie, pewnego typu. Nie mamy pojęcia, czy nasz gatunek jest tego rodzaju. Ale nawet gdyby tak nie było, mogłoby to ułatwić umieszczenie trójwarstwowego grafenu z innymi materiałami w celu stworzenia tego typu nadprzewodnictwa. To może być świetny hack. Ale jest jeszcze za wcześnie”.

Odniesienie: „Naruszenie limitu Pauliego i ponowne wejście nadprzewodnictwa do grafenu tętnienia” Yuan Kao, Jeong Min Park, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi i Pablo Jarillo-Herrero, 21 lipca 2021 r., Natura.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-y

Badania te były wspierane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Narodową Fundację Nauki, Fundację Gordona i Betty Moore, Fundację Ramona Arisesa oraz Program Sevare Quantum Materials.