Als het om grafeen gaat, blijkt supergeleiding in de familie te zitten.

Grafeen is een één-atoom-dun materiaal dat kan worden geëxfolieerd van hetzelfde grafiet dat wordt gevonden in potlood. Het ultradunne materiaal is volledig gemaakt van koolstofatomen die zijn gerangschikt in een eenvoudig zeshoekig patroon, vergelijkbaar met dat van kippengaas. Sinds de isolatie in 2004 blijkt grafeen in zijn enkellaagse vorm tal van opmerkelijke eigenschappen te bezitten.

In 2018 ontdekten MIT-onderzoekers dat als twee grafeenlagen onder een zeer specifieke "magische" hoek worden gestapeld, de gedraaide dubbellaagse structuur robuuste supergeleiding zou kunnen vertonen, een veelgevraagde materiële toestand waarin een elektrische stroom kan stromen zonder energieverlies. Onlangs ontdekte dezelfde groep dat er een vergelijkbare supergeleidende toestand bestaat in gedraaid drielaags grafeen - een structuur gemaakt van drie grafeenlagen die onder een precieze, nieuwe magische hoek zijn gestapeld.

Nu meldt het team dat - je raadt het al - vier en vijf grafeenlagen kunnen worden gedraaid en gestapeld onder nieuwe magische hoeken om robuuste supergeleiding bij lage temperaturen op te wekken. Deze laatste ontdekking, deze week gepubliceerd in Nature Materials , stelt de verschillende gedraaide en gestapelde configuraties van grafeen vast als de eerste bekende "familie" van meerlagige supergeleiders met magische hoeken. Het team identificeerde ook overeenkomsten en verschillen tussen familieleden van grafeen.

De bevindingen kunnen dienen als blauwdruk voor het ontwerpen van praktische supergeleiders bij kamertemperatuur. Als de eigenschappen van familieleden zouden kunnen worden gerepliceerd in andere, natuurlijk geleidende materialen, zouden ze bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om elektriciteit te leveren zonder dissipatie of om magnetisch zwevende treinen te bouwen die zonder wrijving rijden.

"Het grafeensysteem met magische hoek is nu een legitieme 'familie', voorbij een paar systemen", zegt hoofdauteur Jeong Min (Jane) Park, een afgestudeerde student aan het MIT's Department of Physics. "Het hebben van deze familie is bijzonder zinvol omdat het een manier biedt om robuuste supergeleiders te ontwerpen."

'Geen limiet'

De groep van Jarillo-Herrero was de eerste die grafeen met een magische hoek ontdekte, in de vorm van een dubbellaagse structuur van twee grafeenvellen die op elkaar waren geplaatst en enigszins verschoven onder een precieze hoek van 1,1 graden. Deze verwrongen configuratie, bekend als een moiré-superrooster, transformeerde het materiaal bij ultralage temperaturen in een sterke en persistente supergeleider.

De onderzoekers ontdekten ook dat het materiaal een soort elektronische structuur vertoonde die bekend staat als een "platte band", waarin de elektronen van het materiaal dezelfde energie hebben, ongeacht hun momentum. In deze vlakke bandtoestand en bij ultrakoude temperaturen, vertragen de normaal hectische elektronen gezamenlijk voldoende om te paren in zogenaamde Cooper-paren - essentiële ingrediënten van supergeleiding die zonder weerstand door het materiaal kunnen stromen.

Hoewel de onderzoekers zagen dat gedraaid dubbellaags grafeen zowel supergeleiding als een platte bandstructuur vertoonde, was het niet duidelijk of het eerste uit het laatste voortkwam.

"Er was geen bewijs dat een platte bandstructuur tot supergeleiding leidde", zegt Park. "Andere groepen hebben sindsdien andere gedraaide structuren gemaakt van andere materialen die een platte band hebben, maar ze hadden niet echt een robuuste supergeleiding. Dus we vroegen ons af:kunnen we nog een supergeleidend apparaat met platte band maken?"

Terwijl ze over deze vraag nadachten, leidde een groep van de universiteit van Harvard berekeningen af ​​die wiskundig bevestigden dat drie grafeenlagen, gedraaid op 1,6 graden, ook platte banden zouden vertonen, en suggereerden dat ze supergeleidend zouden kunnen zijn. Ze lieten verder zien dat er geen limiet zou moeten zijn aan het aantal grafeenlagen die supergeleiding vertonen, als ze op de juiste manier worden gestapeld en gedraaid, onder hoeken die ze ook voorspelden. Ten slotte bewezen ze dat ze elke meerlaagse structuur wiskundig konden relateren aan een gemeenschappelijke platte bandstructuur - een sterk bewijs dat een platte band kan leiden tot robuuste supergeleiding.

"Ze kwamen tot de conclusie dat er misschien een hele hiërarchie van grafeenstructuren is, tot oneindige lagen, die zouden kunnen overeenkomen met een vergelijkbare wiskundige uitdrukking voor een platte bandstructuur", zegt Park.

Kort na dat werk ontdekte de groep van Jarillo-Herrero dat inderdaad supergeleiding en een platte band ontstonden in gedraaide drielaagse grafeen - drie grafeenplaten, gestapeld als een kaassandwich, de middelste kaaslaag verschoof met 1,6 graden ten opzichte van de ingeklemde buitenste lagen . Maar de drielaagse structuur vertoonde ook subtiele verschillen in vergelijking met zijn dubbellaagse tegenhanger.

"Daarom vroegen we ons af, waar passen deze twee structuren in termen van de hele klasse van materialen, en komen ze uit dezelfde familie?" zegt Park.

Een onconventioneel gezin

In de huidige studie probeerde het team het aantal grafeenlagen te verhogen. Ze fabriceerden twee nieuwe structuren, gemaakt van respectievelijk vier en vijf grafeenlagen. Elke structuur is afwisselend gestapeld, vergelijkbaar met de verschoven kaassandwich van gedraaid drielaags grafeen.

Het team hield de structuren in een koelkast onder de 1 kelvin (ongeveer -273 graden Celsius), liet elektrische stroom door elke structuur lopen en mat de output onder verschillende omstandigheden, vergelijkbaar met tests voor hun dubbellaagse en drielaagse systemen.

Over het algemeen ontdekten ze dat zowel vier- als vijflaags gedraaid grafeen ook robuuste supergeleiding en een platte band vertoont. De structuren hadden ook andere overeenkomsten met hun drielaagse tegenhanger, zoals hun reactie onder een magnetisch veld van verschillende sterkte, hoek en oriëntatie.

Deze experimenten toonden aan dat verwrongen grafeenstructuren kunnen worden beschouwd als een nieuwe familie of klasse van veelvoorkomende supergeleidende materialen. De experimenten suggereerden ook dat er mogelijk een zwart schaap in de familie is:de originele gedraaide dubbellaagse structuur, hoewel belangrijke eigenschappen gemeenschappelijk, vertoonde ook subtiele verschillen met zijn broers en zussen. De eerdere experimenten van de groep toonden bijvoorbeeld aan dat de supergeleiding van de structuur kapot ging onder lagere magnetische velden en ongelijker was naarmate het veld roteerde, vergeleken met zijn meerlagige broers en zussen.

Het team voerde simulaties uit van elk structuurtype, op zoek naar een verklaring voor de verschillen tussen gezinsleden. Ze concludeerden dat het feit dat de supergeleiding van gedraaid dubbellaags grafeen onder bepaalde magnetische omstandigheden uitsterft, simpelweg is omdat alle fysieke lagen in een "niet-gespiegelde" vorm in de structuur bestaan. Met andere woorden, er zijn geen twee lagen in de structuur die elkaars tegenpolen zijn, terwijl de meerlagige broers en zussen van grafeen een soort spiegelsymmetrie vertonen. Deze bevindingen suggereren dat het mechanisme dat elektronen ertoe aanzet om in een robuuste supergeleidende toestand te stromen, hetzelfde is in de familie van gedraaide grafeen.

"Dat is best belangrijk", merkt Park op. "Zonder dit te weten, denken mensen misschien dat dubbellaags grafeen conventioneler is in vergelijking met meerlaagse structuren. Maar we laten zien dat deze hele familie onconventionele, robuuste supergeleiders kan zijn." + Verder verkennen

Ongebruikelijke supergeleiding waargenomen in gedraaid drielaags grafeen