in 2018, de natuurkundige wereld werd in vuur en vlam gezet met de ontdekking dat wanneer een ultradun laagje koolstof, genaamd grafeen, is gestapeld en gedraaid tot een "magische hoek, " die nieuwe dubbellaagse structuur wordt omgezet in een supergeleider, elektriciteit laten stromen zonder weerstand of energieverspilling. Nutsvoorzieningen, in een letterlijke draai, Wetenschappers van Harvard hebben dat supergeleidende systeem uitgebreid door een derde laag toe te voegen en te roteren, de deur openen voor voortdurende vooruitgang in op grafeen gebaseerde supergeleiding.

Het werk wordt beschreven in een nieuw artikel in Wetenschap en kan op een dag helpen leiden naar supergeleiders die bij hogere of zelfs dicht bij kamertemperatuur werken. Deze supergeleiders worden beschouwd als de heilige graal van de fysica van de gecondenseerde materie, omdat ze enorme technologische revoluties mogelijk zouden maken op veel gebieden, waaronder elektriciteitstransmissie, vervoer, en kwantumcomputers. De meeste supergeleiders tegenwoordig, inclusief de dubbellaagse grafeenstructuur, werken alleen bij ultrakoude temperaturen.

"Supergeleiding in gedraaid grafeen biedt natuurkundigen een experimenteel controleerbaar en theoretisch toegankelijk modelsysteem waar ze kunnen spelen met de eigenschappen van het systeem om de geheimen van supergeleiding bij hoge temperatuur te ontcijferen, ", zei een van de mede-hoofdauteurs van het artikel, Andrew Zimmerman, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Harvard-fysicus Philip Kim.

Grafeen is een één atoom dikke laag koolstofatomen die 200 keer sterker is dan staal en toch extreem flexibel en lichter dan papier. Het is bijna altijd bekend geweest als een goede geleider van warmte en elektrische stroom, maar is notoir moeilijk te hanteren. Experimenten die de puzzel van gedraaid dubbellaags grafeen ontsluiten zijn aan de gang sinds MIT-natuurkundige Pablo Jarillo-Herrero en zijn groep pionierden met het opkomende veld van "twistronics" met hun experiment in 2018, waar ze de grafeen-supergeleider produceerden door deze tot een magische hoek van 1,1 graden te draaien .

De wetenschappers van Harvard melden dat ze met succes drie vellen grafeen hebben gestapeld en ze vervolgens elk onder die magische hoek hebben gedraaid om een ​​drielaagse structuur te produceren die niet alleen in staat is tot supergeleiding, maar dit ook robuuster en bij hogere temperaturen doet dan veel van de dubbel gestapelde grafeen. Het nieuwe en verbeterde systeem is ook gevoelig voor een extern aangelegd elektrisch veld waarmee ze het niveau van supergeleiding kunnen afstemmen door de sterkte van dat veld aan te passen.

"Het stelde ons in staat om de supergeleider in een nieuwe dimensie te observeren en gaf ons belangrijke aanwijzingen over het mechanisme dat de supergeleiding aandrijft, " zei de andere hoofdauteur van de studie, Zeyu Hao, een doctoraat student aan de Graduate School of Arts and Sciences ook werkzaam in de Kim Group.

Een van die mechanismen heeft de theoretici erg enthousiast gemaakt. Het drielagensysteem toonde aan dat zijn supergeleiding te wijten is aan sterke interacties tussen elektronen in tegenstelling tot zwakke. Als het waar is, dit kan niet alleen helpen een pad te openen naar supergeleiding bij hoge temperaturen, maar ook mogelijke toepassingen in kwantumcomputers.

"In de meeste conventionele supergeleiders, elektronen bewegen met hoge snelheid en kruisen elkaar af en toe en beïnvloeden elkaar. In dit geval, we zeggen dat hun interactie-effecten zwak zijn, " zei Eslam Khalaf, een co-auteur van de studie en een postdoctorale fellow die in het laboratorium van Harvard-professor natuurkunde Ashvin Vishwanath werkt. "Terwijl zwak interagerende supergeleiders kwetsbaar zijn en supergeleiding verliezen wanneer ze worden verwarmd tot een paar Kelvins, supergeleiders met sterke koppeling zijn veel veerkrachtiger maar veel minder begrepen. Het realiseren van sterke koppelingssupergeleiding in een eenvoudig en afstembaar systeem zoals drielagen zou de weg kunnen banen om eindelijk een theoretisch begrip van sterk gekoppelde supergeleiders te ontwikkelen om het doel van een hoge temperatuur te helpen realiseren, misschien zelfs kamertemperatuur, supergeleider."

De onderzoekers zijn van plan de aard van deze ongewone supergeleiding in verdere studies te blijven onderzoeken.

"Hoe meer we begrijpen, hoe beter we de kans hebben om de supergeleidende overgangstemperaturen te verhogen, " zei Kim.