In het voorjaar van 2018, de verrassende ontdekking van supergeleiding in een nieuw materiaal zette de wetenschappelijke gemeenschap in rep en roer. Gebouwd door de ene carbonplaat op de andere te leggen en de bovenste in een "magische" hoek te draaien, het materiaal zorgde ervoor dat elektronen zonder weerstand konden stromen, een eigenschap die de energie-efficiënte krachtoverbrenging drastisch zou kunnen verbeteren en een groot aantal nieuwe technologieën zou inluiden.

Nutsvoorzieningen, nieuwe experimenten uitgevoerd in Princeton geven hints over hoe dit materiaal - bekend als magische hoek gedraaid grafeen - aanleiding geeft tot supergeleiding. In de uitgave van het tijdschrift van deze week Natuur , Princeton-onderzoekers leveren stevig bewijs dat het supergeleidende gedrag voortkomt uit sterke interacties tussen elektronen, inzicht geven in de regels die elektronen volgen wanneer supergeleiding naar voren komt.

"Dit is een van de populairste onderwerpen in de natuurkunde, " zei Ali Yazdani, the Class of 1909 Professor of Physics en senior auteur van de studie. "Dit is een materiaal dat ongelooflijk eenvoudig is, gewoon twee vellen carbon die je op elkaar plakt, en het vertoont supergeleiding."

Hoe supergeleiding precies ontstaat, is een mysterie dat laboratoria over de hele wereld haasten om op te lossen. Het veld heeft zelfs een naam, "twistroniek".

Een deel van de opwinding is dat, vergeleken met bestaande supergeleiders, het materiaal is vrij gemakkelijk te bestuderen omdat het maar twee lagen heeft en maar één type atoom:koolstof.

"Het belangrijkste van dit nieuwe materiaal is dat het een speeltuin is voor al dit soort natuurkunde waar mensen de afgelopen 40 jaar over hebben nagedacht, " zei B. Andrei Bernevig, een professor in de natuurkunde die gespecialiseerd is in theorieën om complexe materialen te verklaren.

De supergeleiding in het nieuwe materiaal lijkt te werken door een fundamenteel ander mechanisme dan traditionele supergeleiders, die tegenwoordig worden gebruikt in krachtige magneten en andere beperkte toepassingen. Dit nieuwe materiaal heeft overeenkomsten met op koper gebaseerde, hoge-temperatuur-supergeleiders die in de jaren tachtig werden ontdekt, cuprates genoemd. De ontdekking van cuprates leidde in 1987 tot de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Het nieuwe materiaal bestaat uit twee atomair dunne platen koolstof die bekend staan ​​als grafeen. Ook het onderwerp van een Nobelprijs voor natuurkunde, in 2010, grafeen heeft een vlak honingraatpatroon, als een vel kippengaas. In maart 2018, Pablo Jarillo-Herrero en zijn team van het Massachusetts Institute of Technology plaatsten een tweede laag grafeen bovenop de eerste, draaide vervolgens het bovenste vel met de "magische" hoek van ongeveer 1,1 graden. Deze hoek was eerder door natuurkundigen voorspeld om nieuwe elektroneninteracties te veroorzaken, maar het kwam als een schok toen MIT-wetenschappers supergeleiding demonstreerden.

Van bovenaf gezien, de overlappende kippengaaspatronen geven een flikkerend effect dat bekend staat als "moiré, " die ontstaat wanneer twee geometrisch regelmatige patronen elkaar overlappen, en die ooit populair was in de stoffen en mode van de 17e en 18e eeuw royals.

Deze moiré-patronen geven aanleiding tot diepgaande nieuwe eigenschappen die niet worden gezien in gewone materialen. De meeste gewone materialen vallen in een spectrum van isolerend tot geleidend. Isolatoren vangen elektronen op in energiezakken of niveaus die ze op hun plaats houden, terwijl metalen energietoestanden bevatten waardoor elektronen van atoom naar atoom kunnen flitsen. In beide gevallen, elektronen bezetten verschillende energieniveaus en interageren niet of vertonen geen collectief gedrag.

In gedraaid grafeen, echter, de fysieke structuur van het moiré-rooster creëert energietoestanden die voorkomen dat elektronen uit elkaar staan, dwingt hen tot interactie. "Het creëert een toestand waarin de elektronen elkaar niet uit de weg kunnen gaan, en in plaats daarvan moeten ze allemaal een vergelijkbaar energieniveau hebben, wat de eerste voorwaarde is om sterk verstrengelde staten te creëren, ' zei Yazdani.

De vraag die de onderzoekers zich stelden was of deze verstrengeling iets te maken heeft met zijn supergeleiding. Veel eenvoudige metalen zijn ook supergeleidend, maar alle hoge-temperatuur-supergeleiders die tot nu toe zijn ontdekt, inclusief de cuprates, vertonen sterk verstrengelde toestanden veroorzaakt door wederzijdse afstoting tussen elektronen. De sterke interactie tussen elektronen lijkt een sleutel te zijn om supergeleiding bij hogere temperaturen te bereiken.

Om deze vraag te beantwoorden, Onderzoekers van Princeton gebruikten een scanning tunneling microscoop die zo gevoelig is dat hij individuele atomen op een oppervlak kan afbeelden. Het team scande monsters van met een magische hoek gedraaid grafeen waarin ze het aantal elektronen regelden door een spanning aan te leggen op een nabijgelegen elektrode. De studie leverde microscopische informatie op over het gedrag van elektronen in gedraaid dubbellaags grafeen, terwijl de meeste andere onderzoeken tot nu toe alleen macroscopische elektrische geleiding hebben gecontroleerd.

Door het aantal elektronen in te stellen op zeer lage of zeer hoge concentraties, de onderzoekers observeerden elektronen die zich bijna onafhankelijk gedroegen, zoals ze zouden doen in eenvoudige metalen. Echter, bij de kritische concentratie van elektronen waar supergeleiding werd ontdekt in dit systeem, de elektronen vertoonden plotseling tekenen van sterke interactie en verstrengeling.

Bij de concentratie waar supergeleiding ontstond, het team ontdekte dat de elektronenenergieniveaus onverwacht breed werden, signalen die sterke interactie en verstrengeling bevestigen. Nog altijd, Bernevig benadrukte dat hoewel deze experimenten de deur openen voor verder onderzoek, er moet meer werk worden verzet om in detail te begrijpen welk type verstrengeling zich voordoet.

"Er is nog zoveel dat we niet weten over deze systemen, " zei hij. "We zijn nog lang niet in de buurt van wat we kunnen leren door experimenten en theoretische modellering."

Bijdragen aan de studie waren Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute for Material Science in Japan; afgestudeerde student en eerste auteur Yonglong Xie, postdoctoraal onderzoeker Berthold Jäck, postdoctoraal onderzoeksmedewerker Xiaomeng Liu, en afgestudeerde student Cheng-Li Chiu in de onderzoeksgroep van Yazdani; en Biao Lian in de onderzoeksgroep van Bernevig.