Vorig jaar, wetenschappers hebben aangetoond dat gedraaid dubbellaags grafeen - een materiaal gemaakt van twee atoomdunne platen koolstof met een lichte draaiing - afwisselend supergeleidende en isolerende gebieden kan vertonen. Nutsvoorzieningen, een nieuwe studie in het tijdschrift Natuur door wetenschappers uit Spanje, de VS, China en Japan laten zien dat supergeleiding kan worden in- of uitgeschakeld met een kleine spanningsverandering, het nut ervan voor elektronische apparaten te vergroten.

"Het is een soort heilige graal van de natuurkunde om een ​​materiaal te maken dat supergeleidend is bij kamertemperatuur, "Universiteit van Texas in Austin, natuurkundige Allan MacDonald, zei. "Dus dat is een deel van de motivatie van dit werk:om supergeleiding bij hoge temperaturen beter te begrijpen."

De ontdekking is een belangrijke vooruitgang in een opkomend veld genaamd Twistronics, wiens pioniers onder meer MacDonald en ingenieur Emanuel Tutuc zijn, ook van de Universiteit van Texas in Austin. Onderzoekers over de hele wereld hebben jaren hard gewerkt om MacDonalds oorspronkelijke inzicht om te zetten in materialen met deze vreemde eigenschappen, maar het was het wachten waard.

Supergeleiding vinden op vreemde plaatsen

In 2011, Mac Donald, een theoretisch fysicus die kwantumwiskunde en computermodellering gebruikt om tweedimensionale materialen te bestuderen, een onverwachte ontdekking gedaan. Samen met Rafi Bistritzer, een postdoctoraal onderzoeker, hij werkte aan het bouwen van eenvoudige maar nauwkeurige modellen van hoe elektronen zich gedragen in gestapelde 2D-materialen - materialen met een dikte van één atoom - wanneer de ene laag enigszins gedraaid is ten opzichte van de andere. Het schijnbaar onberekenbare probleem, MacDonald geloofde, kan sterk worden vereenvoudigd door te focussen op één belangrijke parameter van het systeem.

De strategie die MacDonald en Bistritzer gebruikten, bleek succesvol. De verrassing kwam later. Toen ze hun methode toepasten op gedraaid dubbellaags grafeen, een systeem bestaande uit twee lagen koolstofatomen, ze ontdekten dat bij een zeer specifieke hoek van ongeveer 1,1 graden - die ze de "magische hoek" noemden - de elektronen zich op een vreemde en buitengewone manier gedroegen, plotseling meer dan 100 keer langzamer bewegen.

Waarom dit het geval was en wat het zou betekenen voor de wetenschap zou jaren duren om te ontdekken.

Op korte termijn, de bevinding werd grotendeels genegeerd of afgewezen. Het resultaat leek te ongewoon om te geloven. Bovendien, het was niet duidelijk dat het creëren van een fysiek voorbeeld van een dergelijk systeem, met zo'n nauwkeurige plaatsing van de tweedimensionale platen, fysiek haalbaar was.

Maar niet iedereen was ongelovig of geïntimideerd door de resultaten. Een paar experimentatoren over de hele wereld hebben kennis genomen van de voorspelling die is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences en koos ervoor om de "magische hoek" na te streven. Wanneer in 2018, Voor de eerste keer, natuurkundigen van het Massachusetts Institute of Technology creëerden een systeem van gelaagd grafeen, gedraaid met 1,1 graden, ze vonden, zoals MacDonald had voorspeld, dat het opmerkelijke eigenschappen vertoonde, in het bijzonder supergeleiding bij een verrassend hoge temperatuur.

"Er is geen eenvoudige verklaring voor waarom elektronen plotseling vertragen, "Zei MacDonald. "Dankzij recent werk van theoretici van Harvard, er is nu een gedeeltelijke verklaring met betrekking tot modellen die vaak worden bestudeerd in de elementaire deeltjesfysica. Maar er is nu een hele wereld van gerelateerde effecten in verschillende gelaagde 2D-materialen. Gedraaid dubbellaags grafeen is slechts een kijkje in een deel ervan."

Supergeleidende materialen hebben geen elektrische weerstand, waardoor elektronen eindeloos kunnen reizen zonder energie te dissiperen. Ze worden gebruikt in kwantumcomputing en zouden game changers kunnen zijn voor elektrische transmissie als ze geen dure koeling nodig hadden.

Voor het eerst ontdekt in 1911, supergeleiding is gedocumenteerd in een aantal materialen. Echter, ze hebben allemaal extreem lage temperaturen nodig om hun onderscheidende eigenschappen te behouden. De opkomst van gestapelde 2D-materialen kan hier verandering in brengen.

De ontdekking van supergeleiding in gedraaid dubbellaags grafeen heeft sindsdien brandstof opgeleverd voor een bloeiend subveld met een pakkende naam - Twisttronics - en een haast om de technologie verder te ontwikkelen.

Een decennium van toegewijde studie

Sinds de ontdekking van grafeen door Andre Geim en Konstantin Novoselov aan de Universiteit van Manchester in 2004 (wat uiteindelijk leidde tot een Nobelprijs voor natuurkunde in 2010), MacDonald is gefascineerd door deze vreemde, tweedimensionale systemen en de nieuwe fysica die ze kunnen bevatten.

Hij begon de stof vrijwel onmiddellijk te bestuderen en, sinds 2004, heeft supercomputers gebruikt in het Texas Advanced Computing Center (TACC) om de elektronische structuur van grafeen en andere 2D-materialen te onderzoeken.

"Mijn werk gaat over het voorspellen van ongewone verschijnselen die nog niet eerder zijn gezien, of proberen fenomenen te begrijpen die niet goed worden begrepen, "Zei MacDonald. "Ik voel me aangetrokken tot theorie die rechtstreeks verband houdt met dingen die werkelijk gebeuren, en ik ben geïnteresseerd in de kracht van wiskunde en theorie om de echte wereld te beschrijven."

De vreemde eigenschappen van gelaagde 2D-materialen lijken verband te houden met interacties, die veel belangrijker worden wanneer elektronen vertragen, het induceren van sterke correlaties tussen individuele elektronen. Typisch, elektronen cirkelen bijna afzonderlijk rond de kern in atomaire orbitalen, zich vestigen in kwantumtoestanden met de laagst beschikbare energieën. Dit lijkt niet het geval te zijn in grafeen met een magische hoek.

"In principe, er kan niet veel interessants gebeuren als de elektronen zichzelf organiseren zoals ze dat in een atoom doen door de orbitalen met de laagste energie te bezetten, MacDonald zei. "Maar zodra hun lot wordt bepaald door interacties tussen de elektronen, dan kunnen er interessante dingen gebeuren."

Hoe kun je überhaupt bestuderen wat er gebeurt in gelaagde 2D-systemen - bekend, technisch gezien, zoals van der Waals heterostructuren? Het "zien" van bewegende elektronen is bijna onmogelijk. Metingen geven aanwijzingen, maar de resultaten zijn schuin en vaak contra-intuïtief. computermodellen, MacDonald gelooft, kan bijdragen aan het opkomende beeld van opgesloten elektronen.

Computermodellen die de klassieke elektronische structuur vertegenwoordigen, zijn goed ontwikkeld en in de meeste gevallen zeer nauwkeurig, maar ze moeten worden aangepast in het licht van de vreemde fysica van heterojuncties.

Het veranderen van deze factoren betekent het herschrijven van het heersende model om het gedrag van sterk interagerende elektronen te weerspiegelen, een taak waar MacDonald en onderzoekers in zijn lab momenteel aan werken, met behulp van de Stampede2-supercomputer van TACC - een van de krachtigste ter wereld - om modellen te testen en simulaties uit te voeren. Bovendien, steeds grotere aantallen elektronen moeten worden opgenomen om de resultaten die uit laboratoria over de hele wereld naar voren komen, nauwkeurig te repliceren.

"Het echte systeem heeft miljarden elektronen, MacDonald legde uit. "Als je het aantal elektronen verhoogt, u overschrijdt snel de capaciteit van elke computer. Dus, een van de benaderingen die we gebruiken, in het werk onder leiding van Pawel Potasz - een bezoeker uit Polen - is om het elektronische probleem voor kleine aantallen elektronen op te lossen en het gedrag te extrapoleren naar grote aantallen."

Theorie toepassen op nooit eerder vertoonde systemen

Terwijl we werken aan het herontwerpen van elektronische structuurmodellen en deze opschalen naar steeds grotere aantallen elektronen, MacDonald vindt nog steeds tijd om samen te werken met experimentele groepen over de hele wereld, het toevoegen van zijn theoretische en computationele inzichten aan hun bevindingen.

Jarenlang na de ontdekking van de magische hoek, praktische moeilijkheden bij het maken van pure vormen van gelaagde 2D-materialen met precieze rotatiehoeken beperkten het veld. Maar anno 2016 een andere UT-onderzoeker, Emanuel Tutuc, en zijn afgestudeerde student, Kyunghwan Kim, een betrouwbare methode ontwikkeld om dergelijke systemen te maken, niet alleen grafeen gebruiken, maar van een aantal verschillende 2D-materialen.

"De doorbraak was echt een techniek die mijn student introduceerde, die bestaat uit het nemen van een grote laag, het in tweeën splitsen en het ene segment nemen en het op het andere plaatsen, ' zei Tutuc.

De reden die nog niet eerder was geïmplementeerd, is dat het erg moeilijk is om een ​​​​stuk atoomdik materiaal ter grootte van een micron op te pakken. Kim vond een kleverige, halfronde handgreep die een individuele vlok kan optillen, al het andere in de buurt intact laten.

"Toen dat eenmaal gedaan was, de mogelijkheden werden eindeloos, ' vervolgde hij. 'Niet lang daarna, dezelfde student zei, 'OKE, nu we ze kunnen uitlijnen met de echt hoge nauwkeurigheid, laten we doorgaan en ze verdraaien.' Dus dat was de volgende stap."

In recente jaren, MacDonald en zijn team hebben stapels van drie verkend, vier of vijf lagen grafeen, evenals andere veelbelovende materialen, in het bijzonder overgangsmetaalchalcogeniden, op zoek naar ongebruikelijke - en potentieel nuttige - fenomenen.

Inschrijven Natuur in februari 2019, Mac Donald, Tutuk, UT Austin-natuurkundige Elaine Li, en een groot internationaal team beschreef de waarneming van indirecte excitonen in een molybdeendiselenide/wolfraamdiselenide (MoSe2/WSe2) heterobilaag met een kleine draaihoek.

Excitonen zijn quasideeltjes die bestaan ​​uit een elektron en een gat die elkaar aantrekken en op hun plaats houden. Deze bestaan ​​meestal binnen een enkele laag. Echter, met bepaalde 2D-materialen, het is mogelijk dat ze op verschillende lagen bestaan, wat de tijdsduur dat ze bestaan ​​aanzienlijk verlengt. Dit kan superfluïditeit mogelijk maken, de ongehinderde stroom van vloeistoffen - een eigenschap die voorheen alleen in vloeibaar helium werd gezien.

Nutsvoorzieningen, MacDonald en een team uit Spanje, China en Japan hebben een studie gepubliceerd in Natuur van grafeen met magische hoek waaruit bleek dat het materiaal afwisselende supergeleidende en isolerende fasen kan vertonen die kunnen worden in- of uitgeschakeld met een kleine spanningsverandering, vergelijkbaar met de spanningen die worden gebruikt in geïntegreerde schakelingen, het nut ervan voor elektronische apparaten te vergroten. Om dit resultaat te bereiken, teamleden van het Catalaanse Instituut voor Optische Fysica produceerden grafeen-superroosters met meer uniforme wendingen dan voorheen mogelijk was. Door dit te doen, ze ontdekten dat het patroon van verweven isolerende en supergeleidende toestanden nog ingewikkelder is dan voorspeld.

TACC-supercomputers zijn een cruciaal hulpmiddel in het onderzoek van MacDonald en werden gebruikt voor de theoretische modellering van de gegevens in de recente Natuur papier.

"Veel van de dingen die we doen, we kunnen niet zonder een krachtige computer, ' beweerde hij. 'We beginnen met draaien op een desktop en dan lopen we al snel vast. Dus heel vaak, het gebruik van een supercomputer is het verschil tussen een bevredigend antwoord kunnen krijgen en geen bevredigend antwoord kunnen krijgen."

Hoewel de resultaten van computationele experimenten misschien minder direct of "echt" lijken dan die in een laboratorium, zoals MacDonald heeft aangetoond, de resultaten kunnen nieuwe verkenningswegen blootleggen en de mysteries van het universum helpen verlichten.

"Wat mijn werk energie geeft, is dat de natuur altijd voor nieuwe problemen zorgt. En als je een nieuw soort vraag stelt, je weet van tevoren niet wat het antwoord is, "Zei MacDonald. "Onderzoek is een avontuur, een gemeenschapsavontuur, een collectieve willekeurige wandeling, waardoor kennis vooruit gaat."