Wanneer twee vellen grafeen precies onder de juiste hoek op elkaar worden gestapeld, de gelaagde structuur verandert in een onconventionele supergeleider, waardoor elektrische stromen kunnen passeren zonder weerstand of verspilde energie.

Deze "magische hoek"-transformatie in dubbellaags grafeen werd voor het eerst waargenomen in 2018 in de groep van Pablo Jarillo-Herrero, de Cecil en Ida Green hoogleraar natuurkunde aan het MIT. Vanaf dat moment, wetenschappers hebben gezocht naar andere materialen die op dezelfde manier kunnen worden omgezet in supergeleiding, in het opkomende gebied van 'twistronics'. Voor het grootste gedeelte, geen enkel ander gedraaid materiaal heeft supergeleiding vertoond behalve het originele gedraaide dubbellaagse grafeen, tot nu.

In een krant die verschijnt in Natuur , Jarillo-Herrero en zijn groep rapporteren supergeleiding in een sandwich van drie grafeenplaten, waarvan de middelste laag onder een nieuwe hoek gedraaid is ten opzichte van de buitenste lagen. Deze nieuwe configuratie met drie lagen vertoont een supergeleiding die robuuster is dan zijn tegenhanger met twee lagen.

De onderzoekers kunnen ook de supergeleiding van de structuur afstemmen door de sterkte van een extern elektrisch veld toe te passen en te variëren. Door de drielaagse structuur af te stemmen, de onderzoekers waren in staat om ultrasterk gekoppelde supergeleiding te produceren, een exotisch type elektrisch gedrag dat zelden in enig ander materiaal is waargenomen.

"Het was niet duidelijk of dubbellaags grafeen met een magische hoek iets uitzonderlijks was, maar nu weten we dat het niet alleen is; het heeft een neef in de drielaagse koffer, Jarillo-Herrero zegt. "De ontdekking van deze hypertunable supergeleider breidt het twistronics-veld uit in geheel nieuwe richtingen, met mogelijke toepassingen in kwantuminformatie en detectietechnologieën."

Zijn co-auteurs zijn hoofdauteur Jeong Min Park en Yuan Cao aan het MIT, en Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute of Materials Science in Japan.

Een nieuwe superfamilie

Kort nadat Jarillo-Herrero en zijn collega's ontdekten dat supergeleiding kan worden gegenereerd in gedraaid dubbellaags grafeen, theoretici stelden voor dat hetzelfde fenomeen kan worden gezien in drie of meer lagen grafeen.

Een vel grafeen is een atoomdunne laag grafiet, volledig gemaakt van koolstofatomen gerangschikt in een honingraatrooster, als de dunste, stevigste kippengaas. De theoretici stelden voor dat als drie vellen grafeen als een sandwich werden gestapeld, met de middelste laag 1,56 graden gedraaid ten opzichte van de buitenste lagen, de gedraaide configuratie zou een soort symmetrie creëren die elektronen in het materiaal zou aanmoedigen om te paren en zonder weerstand te stromen - het kenmerk van supergeleiding.

"Wij dachten, waarom niet, laten we het eens proberen en dit idee testen, ' zegt Jarillo-Herrero.

Park en Cao ontwierpen drielaagse grafeenstructuren door een enkel ragfijn vel grafeen voorzichtig in drie secties te snijden en elke sectie op elkaar te stapelen onder de precieze hoeken die door de theoretici waren voorspeld.

Ze maakten verschillende drielaagse structuren, elk met een diameter van enkele micrometers (ongeveer 1/100 van de diameter van een mensenhaar), en drie atomen hoog.

"Onze structuur is een nanosandwich, ' zegt Jarillo-Herrero.

Het team bevestigde vervolgens elektroden aan beide uiteinden van de structuren, en liep een elektrische stroom door terwijl het meten van de hoeveelheid energie verloren of gedissipeerd in het materiaal.

"We zagen geen energie verspild, wat betekent dat het een supergeleider was, "zegt Jarillo-Herrero. "We moeten de theoretici de eer geven - ze hebben de juiste invalshoek."

He adds that the exact cause of the structure's superconductivity—whether due to its symmetry, as the theorists proposed, or not—remains to be seen, and is something that the researchers plan to test in future experiments.

"For the moment we have a correlation, not a causation, " he says. "Now at least we have a path to possibly explore a large family of new superconductors based on this symmetry idea."

"The biggest bang"

In exploring their new trilayer structure, the team found they could control its superconductivity in two ways. With their previous bilayer design, the researchers could tune its superconductivity by applying an external gate voltage to change the number of electrons flowing through the material. As they dialed the gate voltage up and down, they measured the critical temperature at which the material stopped dissipating energy and became superconductive. Op deze manier, the team was able to tune bilayer graphene's superconductivity on and off, similar to a transistor.

The team used the same method to tune trilayer graphene. They also discovered a second way to control the material's superconductivity that has not been possible in bilayer graphene and other twisted structures. By using an additional electrode, the researchers could apply an electric field to change the distribution of electrons between the structure's three layers, without changing the structure's overall electron density.

"These two independent knobs now give us a lot of information about the conditions where superconductivity appears, which can provide insight into the key physics critical to the formation of such an unusual superconducting state, " Park says.

Using both methods to tune the trilayer structure, the team observed superconductivity under a range of conditions, including at a relatively high critical temperature of 3 kelvins, even when the material had a low density of electrons. In vergelijking, aluminum, which is being explored as a superconductor for quantum computing, has a much higher density of electrons and only becomes superconductive at about 1 kelvin.

"We found magic-angle trilayer graphene can be the strongest coupled superconductor, meaning it superconducts at a relatively high temperature, given how few electrons it can have, " Jarillo-Herrero says. "It gives the biggest bang for your buck."

The researchers plan to fabricate twisted graphene structures with more than three layers to see whether such configurations, with higher electron densities, can exhibit superconductivity at higher temperatures, even approaching room temperature.

"If we could make these structures as they are now, at industrial scale, we could make superconducting bits for quantum computation, or cryogenic superconductive electronics, photodetectors, etc. We haven't figured out how to make billions of these at a time, " Jarillo-Herrrero says.

"Our main goal is to figure out the fundamental nature of what underlies strongly coupled superconductivity, " Park says. "Trilayer graphene is not only the strongest-coupled superconductor ever found, but also the most tunable. With that tunability we can really explore superconductivity, everywhere in the phase space."