Natuurkundigen van het MIT hebben tekenen waargenomen van een zeldzaam type supergeleiding in een materiaal dat magische hoek gedraaid drielaags grafeen wordt genoemd. In een studie die verschijnt in Natuur , de onderzoekers melden dat het materiaal supergeleiding vertoont bij verrassend hoge magnetische velden tot 10 Tesla, wat drie keer hoger is dan wat het materiaal naar verwachting zal doorstaan ​​als het een conventionele supergeleider zou zijn.

De resultaten impliceren sterk dat grafeen met een magische hoek, die aanvankelijk door dezelfde groep werd ontdekt, is een zeer zeldzaam type supergeleider, bekend als een "spin-triplet, " dat ongevoelig is voor hoge magnetische velden. Dergelijke exotische supergeleiders zouden technologieën zoals magnetische resonantiebeeldvorming enorm kunnen verbeteren, die gebruikmaakt van supergeleidende draden onder een magnetisch veld om te resoneren met biologisch weefsel en het af te beelden. MRI-machines zijn momenteel beperkt tot magneetvelden van 1 tot 3 Tesla. Als ze zouden kunnen worden gebouwd met spin-triplet supergeleiders, MRI zou kunnen werken onder hogere magnetische velden om scherpere, diepere beelden van het menselijk lichaam.

Het nieuwe bewijs van spin-triplet-supergeleiding in drielaags grafeen zou wetenschappers ook kunnen helpen bij het ontwerpen van sterkere supergeleiders voor praktische kwantumcomputers.

"De waarde van dit experiment is wat het ons leert over fundamentele supergeleiding, over hoe materialen zich kunnen gedragen, zodat met die geleerde lessen, we kunnen proberen principes te ontwerpen voor andere materialen die gemakkelijker te vervaardigen zijn, dat zou je misschien een betere supergeleiding kunnen geven, " zegt Pablo Jarillo-Herrero, de Cecil en Ida Green hoogleraar natuurkunde aan het MIT.

Zijn co-auteurs op het papier zijn onder meer postdoc Yuan Cao en afgestudeerde student Jeong Min Park aan het MIT, en Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute for Materials Science in Japan.

Vreemde verschuiving

Supergeleidende materialen worden gedefinieerd door hun superefficiënte vermogen om elektriciteit te geleiden zonder energie te verliezen. Bij blootstelling aan een elektrische stroom, elektronen in een supergeleider koppelen zich in "Cooper-paren" die vervolgens zonder weerstand door het materiaal reizen, zoals passagiers in een sneltrein.

In een overgrote meerderheid van supergeleiders, deze passagiersparen hebben tegengestelde spins, waarbij één elektron ronddraait, en de andere naar beneden - een configuratie die bekend staat als een 'spin-singlet'. Deze paren snelen vrolijk door een supergeleider, behalve onder hoge magnetische velden, die de energie van elk elektron in tegengestelde richtingen kan verschuiven, het paar uit elkaar trekken. Op deze manier, en via mechanismen, hoge magnetische velden kunnen supergeleiding doen ontsporen in conventionele spin-singlet-supergeleiders.

"Dat is de ultieme reden waarom in een magnetisch veld dat groot genoeg is, supergeleiding verdwijnt, ' zegt Parket.

Maar er bestaat een handvol exotische supergeleiders die ongevoelig zijn voor magnetische velden, tot zeer grote sterktes. Deze materialen geleiden supergeleidend door elektronenparen met dezelfde spin - een eigenschap die bekend staat als 'spin-triplet'. Bij blootstelling aan sterke magnetische velden, de energie van beide elektronen in een Cooper-paar in dezelfde richting verschuiven, op een manier dat ze niet uit elkaar worden getrokken maar ongestoord supergeleidend blijven, ongeacht de magnetische veldsterkte.

De groep van Jarillo-Herrero was benieuwd of grafeen met een magische hoek uit drie lagen zou kunnen bestaan ​​en tekenen zou kunnen bevatten van deze meer ongebruikelijke spin-triplet-supergeleiding. Het team heeft baanbrekend werk verricht in de studie van grafeen-moiré-structuren - lagen van atoomdunne koolstofroosters die, wanneer gestapeld onder bepaalde hoeken, kan tot verrassend elektronisch gedrag leiden.

De onderzoekers rapporteerden aanvankelijk zulke merkwaardige eigenschappen in twee schuine platen grafeen, die ze magische hoek dubbellaags grafeen noemden. Ze volgden al snel tests van drielaags grafeen, een sandwichconfiguratie van drie grafeenplaten die zelfs sterker bleek te zijn dan zijn dubbellaagse tegenhanger, supergeleiding behouden bij hogere temperaturen. Toen de onderzoekers een bescheiden magnetisch veld aanbrachten, ze merkten op dat drielaags grafeen in staat was om supergeleidend te zijn bij veldsterkten die de supergeleiding in dubbellaags grafeen zouden vernietigen.

"Wij dachten, dit is iets heel vreemds, ' zegt Jarillo-Herrero.

Een super comeback

In hun nieuwe studie de natuurkundigen testten de supergeleiding van drielaags grafeen onder steeds hogere magnetische velden. Ze fabriceerden het materiaal door atoomdunne koolstoflagen van een blok grafiet af te pellen, drie lagen op elkaar stapelen, en de middelste met 1,56 graden draaien ten opzichte van de buitenste lagen. Ze bevestigden een elektrode aan beide uiteinden van het materiaal om een ​​stroom door te laten lopen en de verloren energie te meten. Toen zetten ze een grote magneet aan in het lab, met een veld dat ze evenwijdig aan het materiaal oriënteerden.

Toen ze het magnetische veld rond drielaags grafeen vergrootten, ze merkten op dat supergeleiding sterk bleef tot een punt voordat het verdween, maar verscheen toen merkwaardig genoeg weer bij hogere veldsterktes - een comeback die hoogst ongebruikelijk is en waarvan niet bekend is dat deze optreedt in conventionele spin-singlet-supergeleiders.

"In spin-singlet supergeleiders, als je supergeleiding doodt, het komt nooit meer terug - het is voorgoed verdwenen, "zegt Cao. "Hier, het kwam weer tevoorschijn. Dus dit zegt absoluut dat dit materiaal geen spin-singlet is."

Ze merkten ook op dat na "re-entry, " supergeleiding hield aan tot 10 Tesla, de maximale veldsterkte die de magneet van het laboratorium zou kunnen produceren. Dit is ongeveer drie keer hoger dan wat de supergeleider zou kunnen weerstaan ​​als het een conventioneel spin-singlet zou zijn, volgens de limiet van Pauli, een theorie die het maximale magnetische veld voorspelt waarbij een materiaal supergeleiding kan behouden.

Drielaagse grafeen's terugkeer van supergeleiding, gepaard met zijn persistentie bij hogere magnetische velden dan voorspeld, sluit de mogelijkheid uit dat het materiaal een doorsnee supergeleider is. In plaats daarvan, het is waarschijnlijk een zeer zeldzaam type, mogelijk een spin-triplet, het hosten van Cooper-paren die door het materiaal razen, ongevoelig voor hoge magnetische velden. Het team is van plan om in het materiaal te boren om de exacte spinstatus te bevestigen. die zouden kunnen helpen bij het ontwerpen van krachtigere MRI-machines, en ook robuustere kwantumcomputers.

"Regelmatige kwantumcomputing is super fragiel, " zegt Jarillo-Herrero. "Je kijkt ernaar en, poef, het verdwijnt. Ongeveer 20 jaar geleden, theoretici stelden een soort topologische supergeleiding voor die, indien gerealiseerd in enig materiaal, zou een kwantumcomputer [inschakelen] waar staten die verantwoordelijk zijn voor de berekening zeer robuust zijn. Dat zou oneindig veel meer rekenkracht geven. Het belangrijkste ingrediënt om dat te realiseren zijn spin-triplet supergeleiders, van een bepaald type. We hebben geen idee of ons type van dat type is. Maar ook als dat niet zo is, dit zou het gemakkelijker kunnen maken om drielaags grafeen met andere materialen te plaatsen om dat soort supergeleiding te ontwikkelen. Dat zou een grote doorbraak kunnen zijn. Maar het is nog super vroeg."