Чарівний кут графена створює перемикаються схеми надпровідності - ScienceDaily
Минулого року вчені продемонстрували, що кручений двошаровий графен - матеріал, виготовлений із двох тонких атомних листів вуглецю з невеликим скручуванням - може демонструвати чергування надпровідних та ізолюючих областей. Тепер нове дослідження в журналі Nature, проведене вченими з Іспанії, США, Китаю та Японії, показує, що надпровідність можна вмикати або вимикати при невеликій зміні напруги, збільшуючи її корисність для електронних пристроїв.
"Це свого роду святий Грааль фізики створювати матеріал, який має надпровідність при кімнатній температурі", - сказав фізик Аллана Макдональда з Техаського університету в Остіні. "Отже, це частина мотивації цієї роботи: краще розуміти високотемпературну надпровідність".
Відкриття є значним прогресом у новій галузі, яка називається Twistronics, піонерами якої є Макдональд та інженер Емануель Тутук, також з Техаського університету в Остіні. Потрібні були кілька років наполегливої роботи дослідників по всьому світу, щоб перетворити оригінальне розуміння Макдональда на матеріали з цими дивними властивостями, але варто було почекати.
Знаходження надпровідності в непарних місцях
У 2011 році фізик-теоретик Макдональд, який використовує квантову математику та комп'ютерне моделювання для вивчення двовимірних матеріалів, зробив несподіване відкриття. Разом з Рафі Бістріцером, докторським дослідником, він працював над створенням простих, але точних моделей поведінки електронів у складених двовимірних матеріалах - матеріалах товщиною в один атом - коли один шар злегка скручується відносно інших. Мабуть, незрозумілу проблему, як вважав Макдональд, можна було б значно спростити, зосередившись на одному ключовому параметрі системи.
Стратегія, яку застосовували MacDonald та Bistritzer, виявилася успішною. Сюрприз прийшов пізніше. Коли вони застосували свій метод до крученого двошарового графена, системи, що складається з двох шарів атомів вуглецю, вони виявили, що під дуже специфічним кутом близько 1,1 градуса - який вони назвали "магічним кутом" - електрони поводились у дивному і надзвичайний спосіб, раптово рухаючись більш ніж у 100 разів повільніше.
Чому це було так, і що це означало б для науки, щоб виявитись потрібні роки.
У короткостроковій перспективі висновок було в основному проігноровано або відхилено. Результат видався занадто незвичним, щоб повірити. Більше того, не було очевидним, що створення фізичного прикладу такої системи з таким точним розміщенням двовимірних аркушів було фізично досяжним.
Але не всі були недовірливими чи заляканими результатами. Кілька експериментаторів у всьому світі взяли до відома передбачення, опубліковане в "Трудах Національної академії наук", і вирішили переслідувати "магічний кут". Коли в 2018 році фізики Массачусетського технологічного інституту вперше створили систему шаруватого графену, скрученого на 1,1 градуса, вони виявили, як передбачав Макдональд, що він виявляє чудові властивості - зокрема, надпровідність на дивно високу температури.
"Немає простого пояснення, чому електрони раптово сповільнюються", - сказав Макдональд. "Завдяки нещодавній роботі теоретиків з Гарварду, тепер є часткове пояснення, пов'язане з моделями, які часто вивчаються у фізиці елементарних частинок. Але зараз існує цілий світ пов'язаних ефектів у різних шаруватих двовимірних матеріалах. Скручений двошаровий графен - це лише заглядання в одну частину цього ".
Надпровідні матеріали не мають електричного опору, що дозволяє електронам нескінченно подорожувати, не розсіюючи енергію. Вони використовуються в квантових обчисленнях і можуть бути мінниками гри для електричної передачі, якщо їм не потрібне дороге охолодження.
Вперше виявлена в 1911 році, надпровідність була задокументована в ряді матеріалів. Однак всі вони потребують надзвичайно низьких температур, щоб зберегти свої відмінні характеристики. Поява складених 2D матеріалів може це змінити.
Відкриття надпровідності у скрученому двошаровому графені з тих пір забезпечило паливом процвітаючу підполе з привабливою назвою - Twistronics - і поспіхом розвивати цю технологію.
Десятиліття цілеспрямованого вивчення
З часу відкриття графену Андре Геймом та Костянтином Новоселовим в Університеті Манчестера в 2004 році (що в кінцевому підсумку призвело до Нобелівської премії з фізики в 2010 році), Макдональд був захоплений цими дивними двовимірними системами та новою фізикою, яку вони може містити.
Він почав вивчати матеріал майже відразу, а з 2004 р. Використовує суперкомп'ютери Техаського передового обчислювального центру (TACC) для дослідження електронної структури графена та інших 2D матеріалів.