Plaats een enkele laag koolstof op een andere onder een kleine hoek en opmerkelijke eigenschappen komen naar voren, inclusief de zeer gewaardeerde weerstandsvrije stroom die bekend staat als supergeleiding.

Nu heeft een team van onderzoekers in Princeton gezocht naar de oorsprong van dit ongewone gedrag in een materiaal dat bekend staat als magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen, en ontdekte handtekeningen van een cascade van energietransities die zouden kunnen helpen verklaren hoe supergeleiding in dit materiaal ontstaat. De paper werd op 11 juni online gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

"Deze studie toont aan dat de elektronen in grafeen met een magische hoek zich in een sterk gecorreleerde staat bevinden, zelfs voordat het materiaal supergeleidend wordt, "zei Ali Yazdani, Klasse van 1909 hoogleraar natuurkunde, de leider van het team dat de ontdekking deed. "De plotselinge verschuiving van energieën wanneer we een elektron toevoegen of verwijderen in dit experiment, geeft een directe meting van de sterkte van de interactie tussen de elektronen."

Dit is belangrijk omdat deze energiesprongen een venster bieden op het collectieve gedrag van elektronen, zoals supergeleiding, die tevoorschijn komen in met een magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen, een materiaal dat bestaat uit twee lagen grafeen waarin het bovenste vel een kleine hoek ten opzichte van het andere is gedraaid.

In alledaagse metalen, elektronen kunnen vrij door het materiaal bewegen, maar botsingen tussen elektronen en door de vibratie van atomen geven aanleiding tot weerstand en het verlies van wat elektrische energie in de vorm van warmte. Daarom worden elektronische apparaten tijdens gebruik warm.

Bij supergeleidende materialen elektronen werken samen. "De elektronen dansen een beetje met elkaar, " zei Biao Lian, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het Princeton Centre for Theoretical Science die dit najaar een assistent-professor natuurkunde wordt, en een van de co-eerste auteurs van de studie. "Ze moeten samenwerken om in zo'n opmerkelijke staat te komen."

Door een aantal maatregelen magische hoek grafeen, twee jaar geleden ontdekt door Pablo Jarillo-Herrero en zijn team aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT), is een van de sterkste supergeleiders ooit ontdekt. Supergeleiding is relatief robuust in dit systeem, hoewel het optreedt wanneer er zeer weinig vrij bewegende elektronen zijn.

De onderzoekers wilden onderzoeken hoe de unieke kristalstructuur van grafeen met een magische hoek collectief gedrag mogelijk maakt. Elektronen hebben niet alleen een negatieve lading, maar ook twee andere kenmerken:impulsmoment of "spin, " en mogelijke bewegingen in de kristalstructuur die bekend staat als "vallei" -toestanden. Combinaties van spin en vallei vormen de verschillende "smaken" van elektronen.

Het team wilde vooral weten hoe deze smaken het collectieve gedrag beïnvloeden, dus voerden ze hun experimenten uit bij temperaturen net iets boven het punt waarop de elektronen sterk interageren, die de onderzoekers vergeleken met de ouderfase van het gedrag.

"We hebben de kracht tussen de elektronen in het materiaal bij hogere temperaturen gemeten in de hoop dat het begrijpen van deze kracht ons zal helpen de supergeleider te begrijpen die het bij lagere temperaturen wordt, " zei Dillon Wong, een postdoctoraal onderzoeker in het Princeton Centre for Complex Materials en een co-eerste auteur.

Ze gebruikten een tool genaamd een scanning tunneling microscoop, waarin een geleidende metalen punt een elektron kan toevoegen aan of verwijderen uit grafeen met een magische hoek en de resulterende energietoestand van dat elektron kan detecteren.

Omdat sterk op elkaar inwerkende elektronen weerstand bieden aan de toevoeging van een nieuw elektron, het kost wat energie om het extra elektron toe te voegen. De onderzoekers kunnen deze energie meten en daaruit de sterkte van de interactiekracht bepalen.

"Ik stop er letterlijk een elektron in en zie hoeveel energie het kost om dit elektron in het coöperatieve bad te duwen, " zei Kevin Nuckolls, een afgestudeerde student in het departement Natuurkunde, ook een co-eerste auteur.

Het team ontdekte dat de toevoeging van elk elektron een sprong in de hoeveelheid energie veroorzaakte die nodig was om nog een elektron toe te voegen - wat niet het geval zou zijn geweest als de elektronen in het kristal konden gaan en zich vervolgens vrij tussen de atomen konden bewegen. De resulterende cascade van energietransities was het gevolg van een energiesprong voor elk van de smaken van de elektronen - aangezien elektronen de laagst mogelijke energietoestand moeten aannemen, terwijl ze ook niet dezelfde energie en dezelfde smaak hebben als andere elektronen op dezelfde locatie in het kristal .

Een belangrijke vraag in het veld is hoe de sterkte van interacties tussen elektronen zich verhoudt tot de energieniveaus die de elektronen zouden hebben gehad zonder dergelijke interacties. In de meest voorkomende en lage temperatuur supergeleiders, dit is een kleine correctie, maar in zeldzame hoge-temperatuur supergeleiders, de interacties tussen elektronen worden verondersteld de energieniveaus van de elektronen dramatisch te veranderen. Supergeleiding in aanwezigheid van zo'n dramatische invloed van interacties tussen elektronen is zeer slecht begrepen.

De kwantitatieve metingen van de plotselinge verschuivingen die door de onderzoekers zijn gedetecteerd, bevestigen het beeld dat magische hoekgrafeen behoort tot de klasse van supergeleiders met een sterke interactie tussen de elektronen.

Grafeen is een enkel atoom-dun laagje koolstofatomen, die, vanwege de chemische eigenschappen van koolstof, schikken zich in een vlak honingraatrooster. De onderzoekers verkrijgen grafeen door een dun blok grafiet te nemen - dezelfde pure koolstof die in potloden wordt gebruikt - en de bovenste laag te verwijderen met plakband.

Ze stapelen vervolgens twee atoomdunne lagen op elkaar en roteren de bovenste laag met precies 1,1 graden - de magische hoek. Hierdoor wordt het materiaal supergeleidend, of ongebruikelijke isolerende of magnetische eigenschappen krijgen.

"Als je op 1,2 graden zit, het is slecht. Zijn, het is gewoon een saai metaal. Er gebeurt niets interessants. Maar als je op 1,1 graden zit, je ziet al dit interessante gedrag, ' zei Nuckols.

Deze verkeerde uitlijning creëert een arrangement dat bekend staat als een moiré-patroon vanwege de gelijkenis met een Franse stof.

Om de experimenten uit te voeren, de onderzoekers bouwden een scanning tunneling microscoop in de kelder van het natuurkundegebouw van Princeton, Jadwin Hall. Zo hoog dat het twee verdiepingen beslaat, de microscoop zit bovenop een granieten plaat, die op luchtveren drijft. "We moeten de apparatuur heel precies isoleren omdat deze extreem gevoelig is voor trillingen, " zei Myungchul Oh, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker en co-eerste auteur.

Dillon Wong, Kevin Nuckols, Myungchul Oh, en Biao Lian droegen in gelijke mate bij aan het werk.

Aanvullende bijdragen werden geleverd door Yonglong Xie, die zijn Ph.D. in 2019 en is nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Harvard University; Sangjun Jeon, die nu een assistent-professor is aan de Chung-Ang University in Seoul; Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute for Material Science (NIMS) in Japan; en Princeton hoogleraar natuurkunde B. Andrei Bernevig.

Een soortgelijke cascade van elektronische faseovergangen werd opgemerkt in een paper dat gelijktijdig werd gepubliceerd in Natuur op 11 juni door een team onder leiding van Shahal Ilani van het Weizmann Institute of Science in Israël en met Jarillo-Herrero en collega's van het MIT, Takashi Taniguchi en Kenji Watanabe van NIMS Japan, en onderzoekers van de Vrije Universiteit van Berlijn.

"Het Weizmann-team observeerde dezelfde overgangen als wij met een totaal andere techniek, " zei Yazdani. "Het is leuk om te zien dat hun gegevens compatibel zijn met zowel onze metingen als onze interpretatie."

De studie, "Cascade van elektronische overgangen in met een magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen, " door Dillon Wong, Kevin P. Nuckolls, Myungchul Oh, Biao Lian, Yonglong Xie, Sangjun Jeon, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, B. Andrei Bernevig, en Ali Yazdani, werd op 11 juni gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .