In normaal geleidende materialen zoals zilver en koper, elektrische stroom vloeit met verschillende mate van weerstand, in de vorm van individuele elektronen die defecten pingpongen, terwijl ze hun energie kwijtraken. supergeleiders, daarentegen, zijn zo genoemd vanwege hun opmerkelijke vermogen om elektriciteit te geleiden zonder weerstand, door middel van elektronen die paren en als één geheel door een materiaal bewegen, geen wrijving genereren.

Nu hebben natuurkundigen van het MIT ontdekt dat een vlok grafeen, wanneer ze in de buurt van twee supergeleidende materialen worden gebracht, kan sommige van de supergeleidende eigenschappen van die materialen erven. Omdat grafeen tussen supergeleiders is ingeklemd, zijn elektronische toestand verandert drastisch, zelfs in het midden.

De onderzoekers ontdekten dat de elektronen van grafeen, zich vroeger als individu gedroeg, verstrooiende deeltjes, in plaats daarvan paren in "Andreev-staten" - een fundamentele elektronische configuratie die een conventionele, niet-supergeleidend materiaal om een ​​"superstroom, " een elektrische stroom die vloeit zonder energie te verspillen.

Hun bevindingen, deze week gepubliceerd in Natuurfysica , zijn het eerste onderzoek naar de toestanden van Andreev vanwege het "nabijheidseffect" van supergeleiding in een tweedimensionaal materiaal zoals grafeen.

Aan het einde van de weg, het grafeenplatform van de onderzoekers kan worden gebruikt om exotische deeltjes te verkennen, zoals Majorana-fermionen, waarvan wordt gedacht dat ze voortkomen uit Andreev-staten en mogelijk sleuteldeeltjes zijn voor het bouwen van krachtige, foutbestendige kwantumcomputers.

"Er is een enorme inspanning in de gecondenseerde natuurkundegemeenschap om te zoeken naar exotische kwantumelektronische toestanden, " zegt hoofdauteur Landry Bretheau, een postdoc in het MIT's Department of Physics. "Vooral, Er wordt voorspeld dat nieuwe deeltjes, Majorana-fermionen genaamd, zullen verschijnen in grafeen dat is verbonden met supergeleidende elektroden en wordt blootgesteld aan grote magnetische velden. Ons experiment is veelbelovend, omdat we een aantal van deze ingrediënten verenigen."

Landry's MIT co-auteurs zijn postdoc Joel I-Jan Wang, bezoekende student Riccardo Pisoni, en universitair hoofddocent natuurkunde Pablo Jarillo-Herrero, samen met Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute for Materials Science, in Japan.

Het supergeleidende nabijheidseffect

1962, de Britse natuurkundige Brian David Josephson voorspelde dat twee supergeleiders met een niet-supergeleidende laag ertussen een superstroom van elektronenparen zouden kunnen ondersteunen, zonder externe spanning.

Als geheel, de superstroom geassocieerd met het Josephson-effect is gemeten in tal van experimenten. Maar Andreev stelt - beschouwd als de microscopische bouwstenen van een superstroom - slechts in een handvol systemen waargenomen, zoals zilverdraad, en nooit in een tweedimensionaal materiaal.

Bretheau, Wang, en Jarillo-Herrero pakten dit probleem aan door grafeen - een ultradunne laag van onderling verbonden koolstofatomen - te gebruiken als het niet-supergeleidende materiaal. grafeen, zoals Bretheau uitlegt, is een extreem "schoon" systeem, vertonen zeer weinig verstrooiing van elektronen. Grafeen is verlengd, atomaire configuratie stelt wetenschappers ook in staat om de elektronische Andreev-toestanden van grafeen te meten wanneer het materiaal in contact komt met supergeleiders. Wetenschappers kunnen ook de dichtheid van elektronen in grafeen regelen en onderzoeken hoe dit het supergeleidende nabijheidseffect beïnvloedt.

De onderzoekers exfolieerden een heel dun vlokje grafeen, slechts een paar honderd nanometer breed, van een groter stuk grafiet, en plaatste de vlok op een klein platform gemaakt van een kristal van boornitride dat een laag grafiet bedekte. Aan beide uiteinden van de grafeenvlok, ze plaatsten een elektrode van aluminium, die zich bij lage temperaturen als een supergeleider gedraagt. Vervolgens plaatsten ze de hele structuur in een verdunningskoelkast en verlaagden de temperatuur tot 20 millikelvin - ruim binnen het supergeleidende bereik van aluminium.

"Gefrustreerde" staten

In hun experimenten, de onderzoekers varieerden de grootte van de superstroom die tussen de supergeleiders vloeide door een veranderend magnetisch veld op de hele structuur aan te brengen. Ze hebben ook een externe spanning rechtstreeks op grafeen toegepast, om het aantal elektronen in het materiaal te variëren.

Onder deze veranderende omstandigheden het team mat de dichtheid van elektronische toestanden van het grafeen terwijl de vlok in contact was met beide aluminium supergeleiders. Met behulp van tunnelspectroscopie, een veelgebruikte techniek die de dichtheid van elektronische toestanden in een geleidend monster meet, de onderzoekers konden het centrale gebied van het grafeen onderzoeken om te zien of de supergeleiders enig effect hadden, zelfs in gebieden waar ze het grafeen niet fysiek aanraakten.

De metingen gaven aan dat de elektronen van grafeen, die normaal gesproken werken als individuele deeltjes, waren aan het paren, hoewel in "gefrustreerde" configuraties, met energieën die afhankelijk zijn van het magnetische veld.

"Elektronen in een supergeleider dansen harmonieus in paren, als een ballet, maar de choreografie in de linker en rechter supergeleider kan verschillen, " zegt Bretheau. "Paren in het centrale grafeen zijn gefrustreerd als ze beide manieren van dansen proberen te bevredigen. Deze gefrustreerde paren zijn wat natuurkundigen kennen zoals Andreev stelt; ze dragen de superstroom."

Bretheau en Wang ontdekten dat Andreev-staten hun energie variëren in reactie op een veranderend magnetisch veld. Andreev-toestanden zijn meer uitgesproken wanneer grafeen een hogere elektronendichtheid heeft en er een sterkere superstroom tussen elektroden loopt.

"[De supergeleiders] geven grafeen eigenlijk enkele supergeleidende eigenschappen, " zegt Bretheau. "We ontdekten dat deze elektronen dramatisch kunnen worden beïnvloed door supergeleiders."

Terwijl de onderzoekers hun experimenten uitvoerden onder lage magnetische velden, ze zeggen dat hun platform een ​​startpunt kan zijn voor het verkennen van de meer exotische Majorana-fermionen die zouden moeten verschijnen onder hoge magnetische velden.

"Er zijn voorstellen voor het gebruik van Majorana-fermionen om krachtige kwantumcomputers te bouwen, Bretheau zegt. "Deze deeltjes kunnen de elementaire bouwsteen zijn van topologische kwantumcomputers, met zeer sterke bescherming tegen fouten. Ons werk is een eerste stap in die richting."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.