in 2018, natuurkundigen toonden aan dat er iets interessants gebeurt wanneer twee vellen van het nanomateriaal grafeen op elkaar worden geplaatst. Wanneer een laag wordt geroteerd tot een "magische hoek" van ongeveer 1,1 graden ten opzichte van de andere, het systeem wordt een supergeleider, wat betekent dat het elektriciteit geleidt zonder weerstand. Nog spannender, er was bewijs dat het een onconventionele vorm van supergeleiding was - een type dat kan voorkomen bij temperaturen ver boven het absolute nulpunt, waar de meeste supergeleidende materialen functioneren.

Sinds de eerste ontdekking, onderzoekers hebben gewerkt om deze exotische toestand van materie te begrijpen. Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam onder leiding van natuurkundigen van Brown University heeft een nieuwe manier gevonden om de aard van de supergeleidende toestand in grafeen met een magische hoek nauwkeurig te onderzoeken. De techniek stelt onderzoekers in staat om de afstotende kracht tussen verkiezingen - de Coulomb-interactie - in het systeem te manipuleren. In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , de onderzoekers laten zien dat supergeleiding met magische hoeken robuuster wordt wanneer de Coulomb-interactie wordt verminderd, een belangrijk stuk informatie om te begrijpen hoe deze supergeleider werkt.

"Dit is de eerste keer dat iemand heeft aangetoond dat je de kracht van Coulomb-interactie direct kunt manipuleren in een sterk gecorreleerd elektronisch systeem, " zei Jia Li, een assistent-professor natuurkunde bij Brown en corresponderende auteur van het onderzoek. "Supergeleiding wordt aangedreven door de interacties tussen elektronen, dus als we die interactie kunnen manipuleren, het vertelt ons iets heel belangrijks over dat systeem. In dit geval, aantonen dat zwakkere Coulomb-interactie de supergeleiding versterkt, biedt een belangrijke nieuwe theoretische beperking voor dit systeem."

De oorspronkelijke bevinding uit 2018 van potentieel onconventionele supergeleiding in grafeen met een magische hoek wekte veel interesse in de natuurkundige gemeenschap. Grafeen - één atoom dikke platen koolstof - is een relatief eenvoudig materiaal. Als het inderdaad onconventionele supergeleiding ondersteunt, de eenvoud van grafeen zou het een ideale plek maken om te onderzoeken hoe het fenomeen werkt, zegt Li.

"Onconventionele supergeleiders zijn opwindend vanwege hun hoge overgangstemperatuur en potentiële toepassingen in kwantumcomputers, verliesvrije elektriciteitsnetten en elders, " zei Li. "Maar we hebben nog steeds geen microscopische theorie over hoe ze werken. Daarom was iedereen zo opgewonden toen er iets gebeurde dat leek op onconventionele supergeleiding in grafeen met een magische hoek. De eenvoudige chemische samenstelling en afstembaarheid in draaihoek beloven een duidelijker beeld."

Conventionele supergeleiding werd voor het eerst verklaard in de jaren vijftig door een groep natuurkundigen, waaronder de oude Brown-professor en Nobelprijswinnaar Leon Cooper. Ze toonden aan dat elektronen in een supergeleider het atomaire rooster van een materiaal vervormen op een manier die ervoor zorgt dat elektronen kwantumduo's vormen die Cooper-paren worden genoemd. die zich ongehinderd door dat materiaal kunnen bewegen. In onconventionele supergeleiders, elektronenparen vormen zich op een manier waarvan wordt gedacht dat ze iets anders is dan het Cooper-mechanisme, maar wetenschappers weten nog niet wat dat mechanisme is.

Voor deze nieuwe studie Li en zijn collega's bedachten een manier om Coulomb-interactie te gebruiken om elektronenparen in grafeen met een magische hoek te onderzoeken. Cooper-paring vergrendelt elektronen op een bepaalde afstand van elkaar. Die koppeling concurreert met de Coulomb-interactie, die de elektronen uit elkaar probeert te duwen. Als het mogelijk zou zijn om de Coulomb-interactie te verzwakken, Cooperparen zouden in theorie sterker gekoppeld moeten worden, waardoor de supergeleidende toestand robuuster wordt. Dat zou aanwijzingen opleveren over de vraag of het Cooper-mechanisme in het systeem plaatsvond.

Om de Coulomb-interactie voor deze studie te manipuleren, de onderzoekers bouwden een apparaat dat een blad van grafeen met een magische hoek in de buurt van een ander type grafeenblad brengt, een Bernal-dubbellaag. Omdat de twee lagen zo dun en zo dicht bij elkaar zijn, elektronen in het magische-hoekmonster worden heel lichtjes aangetrokken door positief geladen gebieden in de Bernal-laag. Die aantrekkingskracht tussen lagen verzwakt effectief de Coulomb-interactie die wordt gevoeld tussen elektronen in het magische hoekmonster, een fenomeen dat de onderzoekers Coulombscreening noemen.

Eén kenmerk van de Bernal-laag maakte het bijzonder nuttig in dit onderzoek. De Bernal-laag kan worden geschakeld tussen een geleider en een isolator door een loodrecht op de laag aangelegde spanning te veranderen. Het Coulomb-screeningeffect treedt alleen op wanneer de Bernal-laag zich in de geleidende fase bevindt. Dus door te schakelen tussen geleidend en isolerend en overeenkomstige veranderingen in supergeleiding waar te nemen, de onderzoekers konden ervoor zorgen dat wat ze zagen het gevolg was van Coulomb-screening.

Het werk toonde aan dat de supergeleidende fase sterker werd wanneer de Coulomb-interactie werd verzwakt. De temperatuur waarbij de fase afbrak werd hoger, en was robuuster voor magnetische velden, die supergeleiders verstoren.

"Om dit Coulomb-effect in dit materiaal te zien, was een beetje verrassend, " zei Li. "We zouden verwachten dat dit zou gebeuren in een conventionele supergeleider, toch is er veel bewijs dat suggereert dat grafeen met een magische hoek een onconventionele supergeleider is. Dus elke microscopische theorie van deze supergeleidende fase zal met deze informatie rekening moeten houden."

Li zei dat de resultaten een aanwinst zijn voor Xiaoxue Liu, een postdoctoraal onderzoeker bij Brown en de hoofdauteur van de studie, die het apparaat heeft gebouwd dat de bevindingen mogelijk heeft gemaakt.

"Niemand heeft ooit zoiets gebouwd, " zei Li. "Alles moest ongelooflijk nauwkeurig zijn tot op de nanometerschaal, van de draaihoek van het grafeen tot de afstand tussen de lagen. Xiaoxue heeft echt geweldig werk geleverd. We hebben ook geprofiteerd van de theoretische begeleiding van Oskar Vafek, een theoretisch natuurkundige van de Florida State University."

Hoewel deze studie een cruciaal nieuw stuk informatie biedt over grafeen met een magische hoek, er is veel meer dat de techniek zou kunnen onthullen. Bijvoorbeeld, deze eerste studie keek alleen naar een deel van de faseruimte voor supergeleiding met magische hoeken. Het is mogelijk, Li zegt, dat het gedrag van de supergeleidende fase varieert in verschillende delen van de faseruimte, en verder onderzoek zal het onthullen.

"De mogelijkheid om de Coulomb-interactie te screenen, geeft ons een nieuwe experimentele knop om te helpen deze kwantumverschijnselen te begrijpen, " zei Li. "Deze methode kan worden gebruikt met elk tweedimensionaal materiaal, dus ik denk dat deze methode nuttig zal zijn bij het ontwikkelen van nieuwe soorten materialen."