Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy hebben een grafeenapparaat ontwikkeld dat dunner is dan een mensenhaar, maar een diepte van speciale eigenschappen heeft. Het schakelt gemakkelijk over van een supergeleidend materiaal dat elektriciteit geleidt zonder energie te verliezen, naar een isolator die de stroom van elektrische stroom weerstaat, en weer terug naar een supergeleider - allemaal met een simpele druk op de knop. Hun bevindingen werden vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Natuur .

"Gebruikelijk, wanneer iemand wil bestuderen hoe elektronen met elkaar interageren in een supergeleidende kwantumfase versus een isolerende fase, ze zouden naar verschillende materialen moeten kijken. Met ons systeem, je kunt zowel de supergeleidingsfase als de isolatiefase op één plek bestuderen, " zei Guorui Chen, de hoofdauteur van de studie en een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Feng Wang, die de studie leidde. Wang, een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, is ook een UC Berkeley natuurkunde professor.

Het grafeenapparaat is samengesteld uit drie atomair dunne (2-D) lagen grafeen. Wanneer ingeklemd tussen 2D-lagen boornitride, het vormt een herhalend patroon dat een moiré-superrooster wordt genoemd. Het materiaal zou andere wetenschappers kunnen helpen de gecompliceerde mechanica te begrijpen achter een fenomeen dat bekend staat als supergeleiding bij hoge temperaturen. waar een materiaal elektriciteit kan geleiden zonder weerstand bij hogere temperaturen dan verwacht, hoewel nog steeds honderden graden onder het vriespunt.

In een eerdere studie, de onderzoekers rapporteerden het observeren van de eigenschappen van een Mott-isolator in een apparaat gemaakt van drielaags grafeen. Een Mott-isolator is een materiaalklasse die op de een of andere manier stopt met het geleiden van elektriciteit bij honderden graden onder het vriespunt, ondanks de klassieke theorie die elektrische geleidbaarheid voorspelt. Maar men gelooft al lang dat een Mott-isolator supergeleidend kan worden door meer elektronen of positieve ladingen toe te voegen om hem supergeleidend te maken. legde Chen uit.

De afgelopen 10 jaar, onderzoekers hebben manieren bestudeerd om verschillende 2D-materialen te combineren, vaak beginnend met grafeen - een materiaal dat bekend staat om zijn vermogen om warmte en elektriciteit efficiënt te geleiden. Uit dit oeuvre, andere onderzoekers hadden ontdekt dat moiré-superroosters gevormd met grafeen exotische fysica vertonen, zoals supergeleiding wanneer de lagen precies in de juiste hoek zijn uitgelijnd.

"Dus voor deze studie vroegen we ons af:'Als ons drielaagse grafeensysteem een ​​Mott-isolator is, zou het ook een supergeleider kunnen zijn?'" zei Chen.

De poort openen naar een nieuwe wereld van fysica

In samenwerking met David Goldhaber-Gordon van Stanford University en het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences van het SLAC National Accelerator Laboratory, en Yuanbo Zhang van de Fudan-universiteit, de onderzoekers gebruikten een verdunningskoelkast, die extreem koude temperaturen van 40 millikelvin - of bijna minus 460 graden Fahrenheit - kan bereiken om het grafeen / boornitride-apparaat af te koelen tot een temperatuur waarbij de onderzoekers verwachtten dat supergeleiding zou verschijnen in de buurt van de Mott-isolatorfase, zei Chen.

Zodra het apparaat een temperatuur van 4 kelvin (min 452 graden Fahrenheit) had bereikt, de onderzoekers pasten een reeks elektrische spanningen toe op de kleine poortjes aan de boven- en onderkant van het apparaat. Zoals ze verwachtten, toen ze een hoog verticaal elektrisch veld aanbrachten op zowel de bovenste als de onderste poort, een elektron vulde elke cel van het grafeen / boornitride-apparaat. Dit zorgde ervoor dat de elektronen stabiliseerden en op hun plaats bleven, en deze "lokalisatie" van elektronen veranderde het apparaat in een Mott-isolator.

Vervolgens, ze legden een nog hogere elektrische spanning op de poorten. Tot hun vreugde, een tweede lezing gaf aan dat de elektronen niet langer stabiel waren. In plaats daarvan, ze pendelden rond, bewegen van cel naar cel, en het geleiden van elektriciteit zonder verlies of weerstand. Met andere woorden, het apparaat was overgeschakeld van de Mott-isolatorfase naar de supergeleiderfase.

Chen legde uit dat het boornitride moiré superrooster op de een of andere manier de elektron-elektron-interacties verhoogt die plaatsvinden wanneer een elektrische spanning op het apparaat wordt aangelegd, een effect dat zijn supergeleidende fase inschakelt. Het is ook omkeerbaar:wanneer een lagere elektrische spanning op de poorten wordt toegepast, het apparaat schakelt terug naar een isolerende toestand.

Het multitasking-apparaat biedt wetenschappers een kleine, veelzijdige speeltuin voor het bestuderen van het voortreffelijke samenspel tussen atomen en elektronen in exotische nieuwe supergeleidende materialen met potentieel gebruik in kwantumcomputers - computers die informatie opslaan en manipuleren in qubits, die typisch subatomaire deeltjes zijn zoals elektronen of fotonen, evenals nieuwe Mott-isolatiematerialen die op een dag kleine 2D Mott-transistoren voor micro-elektronica zouden kunnen maken.

"Dit resultaat was erg opwindend voor ons. We hadden nooit gedacht dat het grafeen / boornitride-apparaat het zo goed zou doen, Chen zei. "Je kunt er bijna alles mee bestuderen, van enkelvoudige deeltjes tot supergeleiding. Het is het beste systeem dat ik ken voor het bestuderen van nieuwe soorten natuurkunde, ' zei Chen.

Deze studie werd ondersteund door het Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), een Energy Frontier Research Center geleid door Berkeley Lab en gefinancierd door het DOE Office of Science. NPQC brengt onderzoekers van Berkeley Lab samen, Argonne Nationaal Laboratorium, Universiteit van Colombia, en UC Santa Barbara om te bestuderen hoe kwantumcoherentie ten grondslag ligt aan onverwachte verschijnselen in nieuwe materialen zoals drielaags grafeen, met het oog op toekomstig gebruik in de kwantuminformatiewetenschap en -technologie.