Als je twee lagen grafeen op elkaar stapelt, en draai ze onder een hoek van 1,1º (niet meer en niet minder) van elkaar - de zogenaamde 'magische hoek, ' experimenten hebben bewezen dat het materiaal zich kan gedragen als een isolator, waar geen elektrische stroom kan vloeien, en kan zich tegelijkertijd ook gedragen als een supergeleider, waar elektrische stromen zonder weerstand kunnen stromen.

Deze belangrijke bevinding vond plaats in 2018. Vorig jaar in 2019, terwijl ICFO-onderzoekers de kwaliteit verbeterden van het apparaat dat werd gebruikt om dergelijke doorbraken te repliceren, ze stuitten op iets nog groters en totaal onverwachts. Ze waren in staat om een ​​dierentuin te observeren van voorheen onopgemerkte supergeleidende en gecorreleerde toestanden, naast een geheel nieuwe reeks magnetische en topologische toestanden, het openen van een volledig nieuw rijk van rijkere fysica.

Tot dusver, er is geen theorie die supergeleiding in grafeen met magische hoeken op microscopisch niveau heeft kunnen verklaren. Echter, deze bevinding heeft geleid tot veel onderzoeken, die de fysica achter al deze verschijnselen die in dit materiaal voorkomen, proberen te begrijpen en te onthullen. Vooral, wetenschappers trokken analogieën met onconventionele supergeleiders bij hoge temperaturen - de cuprates, die de record hoogste supergeleidende temperaturen hebben, slechts 2 keer lager dan kamertemperatuur. Hun microscopische mechanisme van de supergeleidende fase is nog steeds niet begrepen, 30 jaar na zijn ontdekking. Echter, vergelijkbaar met magic angle twisted bi-layer grafeen (MATBG), er wordt aangenomen dat een isolerende fase verantwoordelijk is voor de supergeleidende fase in de buurt ervan. Het begrijpen van de relatie tussen de supergeleidende en isolerende fasen staat centraal in het belang van de onderzoeker, en zou kunnen leiden tot een grote doorbraak in supergeleidingsonderzoek.

In een recent gepubliceerd onderzoek in Natuur , ICFO-onderzoekers Petr Stepanov, Ipsita Das, Xiaobo Lu, Frank H.L. Koppens, onder leiding van ICFO Prof. Dmitri Efetov, in samenwerking met een interdisciplinaire groep wetenschappers van MIT, Nationaal Instituut voor Materiaalkunde in Japan, en Imperial College Londen, hebben dieper ingegaan op het fysieke gedrag van dit systeem en rapporteren over de gedetailleerde tests en screening-gestuurde van Magic-Angle Twisted Bi-layer Graphene (MATBG) -apparaten met verschillende bijna-magische hoek-draaihoeken, om een ​​mogelijke verklaring voor de genoemde toestanden te vinden.

In hun experiment hebben ze waren in staat om tegelijkertijd de snelheid en interactie-energieën van de elektronen te regelen, en zo de isolerende fasen in supergeleidende fasen veranderen. Normaal gesproken, in de magische hoek, een isolerende toestand wordt gevormd, omdat elektronen zeer kleine snelheden hebben, en bovendien, ze stoten elkaar sterk af door de Coulomb-kracht. In deze studie gebruikten Stepanov en team apparaten met draaihoeken die iets verwijderd waren van de magische hoek van 1,1° bij ± 0,05°, en plaatste deze zeer dicht bij metalen zeeflagen, deze slechts enkele nanometers van elkaar scheiden door hexagonale boornitridelagen te isoleren. Hierdoor konden ze de afstotende kracht tussen de elektronen verminderen en versnellen, zodat ze vrij kunnen bewegen, ontsnappen aan de isolerende toestand.

Door het zo te doen, Stepanov en collega's zagen iets heel onverwachts. Door de spanning (dragerdichtheid) in de verschillende apparaatconfiguraties te wijzigen, de supergeleidingsfase bleef terwijl de gecorreleerde isolatorfase verdween. In feite, de supergeleidende fase strekte zich uit over grotere dichtheden, zelfs wanneer de dragerdichtheid varieerde. Dergelijke waarnemingen suggereren dat in plaats van dezelfde gemeenschappelijke oorsprong te hebben, de isolerende en supergeleidende fase zouden eigenlijk met elkaar kunnen concurreren, wat de eenvoudige analogie met de cuprates die eerder werd geloofd in twijfel trekt. Echter, de wetenschappers realiseerden zich al snel dat de supergeleidende fase nog interessanter zou kunnen zijn, omdat het in de nabijheid van topologische toestanden ligt, die worden geactiveerd door terugkerende elektronische interactie door het aanleggen van een magnetisch veld.

Supergeleiding met Magic-Angle Graphene

Supergeleiding bij kamertemperatuur is de sleutel tot veel technologische doelen zoals efficiënte krachtoverbrenging, wrijvingsloze treinen, of zelfs kwantumcomputers, onder andere. Toen het meer dan 100 jaar geleden werd ontdekt, supergeleiding was alleen aannemelijk in materialen die waren afgekoeld tot temperaturen dichtbij het absolute nulpunt. Vervolgens, eind jaren '80, wetenschappers ontdekten supergeleiders bij hoge temperaturen met behulp van keramische materialen die cuprates worden genoemd. Ondanks de moeilijkheid om supergeleiders te bouwen en de noodzaak om extreme omstandigheden (zeer sterke magnetische velden) toe te passen om het materiaal te bestuderen, het veld begon als een soort heilige graal onder wetenschappers op basis van deze vooruitgang. Sinds vorig jaar, de opwinding rond dit veld is toegenomen. De dubbele monolagen van koolstof hebben onderzoekers geboeid omdat, in tegenstelling tot cuprates, hun structurele eenvoud is een uitstekend platform geworden om de complexe fysica van supergeleiding te verkennen.