Teaser:Een door Columbia geleid team heeft een nieuwe methode ontdekt om de elektrische geleidbaarheid van dit baanbrekende materiaal te manipuleren. de sterkste die de mens kent met toepassingen variërend van nano-elektronische apparaten tot schone energie.

Grafeen is aangekondigd als een wondermateriaal. Het is niet alleen de sterkste, dunste materiaal ooit ontdekt, zijn uitzonderlijke vermogen om warmte en elektriciteit te geleiden, maakt de weg vrij voor innovatie op gebieden variërend van elektronica tot energie tot medicijnen.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van Columbia University heeft een nieuwe methode ontwikkeld om aangrenzende lagen grafeen-kant, honingraatachtige platen van koolstofatomen - om supergeleiding te induceren. Hun onderzoek levert nieuwe inzichten op in de fysica die ten grondslag ligt aan de intrigerende eigenschappen van dit tweedimensionale materiaal.

De paper van het team is gepubliceerd in het nummer van 24 januari van: Wetenschap .

"Ons werk demonstreert nieuwe manieren om supergeleiding te induceren in gedraaid dubbellaags grafeen, vooral, bereikt door druk uit te oefenen, " zei Cory Dean, assistent-professor natuurkunde aan Columbia en de hoofdonderzoeker van de studie. "Het biedt ook een kritische eerste bevestiging van de MIT-resultaten van vorig jaar - dat dubbellaags grafeen elektronische eigenschappen kan vertonen wanneer het onder een hoek wordt gedraaid - en bevordert ons begrip van het systeem, wat enorm belangrijk is voor dit nieuwe onderzoeksgebied."

In maart 2018 rapporteerden onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology een baanbrekende ontdekking dat twee grafeenlagen elektriciteit kunnen geleiden zonder weerstand wanneer de draaihoek ertussen 1,1 graden is, aangeduid als de "magische hoek".

Maar het raken van die magische hoek is moeilijk gebleken. "De lagen moeten worden gedraaid tot op ongeveer een tiende van een graad rond 1,1, wat experimenteel uitdagend is, " zei Dean. "We ontdekten dat zeer kleine fouten in de uitlijning heel andere resultaten konden opleveren."

Dus Dean en zijn collega's, waaronder wetenschappers van het National Institute for Materials Science en de University of California, Santa Barbara, uiteengezet om te testen of magische hoekcondities kunnen worden bereikt bij grotere rotaties.

"In plaats van te proberen de hoek nauwkeurig te regelen, we vroegen of we in plaats daarvan de afstand tussen de lagen konden variëren, " zei Matthew Yankowitz, een postdoctoraal onderzoeker op de afdeling natuurkunde van Columbia en eerste auteur van het onderzoek. "Op deze manier kan elke draaihoek, in principe, worden omgezet in een magische hoek."

Ze bestudeerden een monster met een draaihoek van 1,3 graden - slechts iets groter dan de magische hoek, maar nog steeds ver genoeg weg om supergeleiding uit te sluiten.

Door druk uit te oefenen veranderde het materiaal van een metaal in een isolator - waarin geen elektriciteit kan stromen - of een supergeleider - waar elektrische stroom zonder weerstand door kan gaan - afhankelijk van het aantal elektronen in het materiaal.

"Opmerkelijk, door een druk van meer dan 10 uit te oefenen, 000 atmosfeer observeren we de opkomst van de isolerende en supergeleidende fasen, " zei Dean. Bovendien, de supergeleiding ontwikkelt zich bij de hoogste temperatuur die tot nu toe in grafeen is waargenomen, iets meer dan 3 graden boven het absolute nulpunt."

Om de hoge drukken te bereiken die nodig zijn om supergeleiding te induceren, werkte het team nauw samen met de National High Magnetic Field-gebruikersfaciliteit, bekend als het Maglab, in Tallahassee, Florida.

"Deze inspanning was een enorme technische uitdaging, "zei Dean. "Na het fabriceren van een van de meest unieke apparaten waarmee we ooit hebben gewerkt, we moesten toen cryogene temperaturen combineren, hoge magnetische velden, en hoge druk - en dat allemaal terwijl de elektrische respons wordt gemeten. Het was een ontmoedigende taak om dit allemaal samen te stellen en ons vermogen om het te laten werken is echt een eerbetoon aan de fantastische expertise van het Maglab."

De onderzoekers denken dat het mogelijk is om de kritische temperatuur van de supergeleiding verder te verhogen bij nog hogere drukken. Het uiteindelijke doel is om ooit een supergeleider te ontwikkelen die onder kamertemperatuur kan presteren, en hoewel dit een uitdaging kan zijn in grafeen, het zou kunnen dienen als een routekaart om dit doel in andere materialen te bereiken.

Andrea Jong, assistent-professor natuurkunde aan UC Santa Barbara, een medewerker van het onderzoek, zei dat het werk duidelijk aantoont dat het samenknijpen van de lagen hetzelfde effect heeft als ze te draaien en een alternatief paradigma biedt voor het manipuleren van de elektronische eigenschappen in grafeen.

"Onze bevindingen versoepelen aanzienlijk de beperkingen die het een uitdaging maken om het systeem te bestuderen en geven ons nieuwe knoppen om het te besturen, ' zei Jong.

Dean en Young draaien en knijpen nu een verscheidenheid aan atomair dunne materialen in de hoop supergeleiding te vinden in andere tweedimensionale systemen.

"Het begrijpen van 'waarom' dit alles gebeurt, is een enorme uitdaging, maar van cruciaal belang om uiteindelijk de kracht van dit materiaal te benutten - en ons werk begint het mysterie te ontrafelen, ' zei Daan.