Fizicienii MIT au descoperit că grafenul cu trei straturi „unghi magic” poate fi un supraconductor rar, rezistent la magnetism.

Noile descoperiri pot ajuta la proiectarea unor mașini RMN mai puternice sau a unor computere cuantice puternice.

Fizicienii de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts au observat semne ale unui tip rar de superconductivitate într-un material numit grafen cu trei straturi răsucite cu unghi magic. Într-un studiu apărut în naturăCercetătorii raportează că materialul prezintă supraconductivitate în câmpuri magnetice surprinzător de mari de până la 10 Tesla, care este de trei ori mai mare decât ceea ce materialul ar fi de așteptat să reziste dacă ar fi un superconductor convențional.

Rezultatele sugerează cu tărie că grafenul magic cu trei straturi, care a fost descoperit inițial de același grup, este un tip foarte rar de supraconductor, cunoscut sub numele de „triplet de spin”, impermeabil la câmpurile magnetice ridicate. Astfel de supraconductori exotici ar putea îmbunătăți mult tehnicile precum imagistica prin rezonanță magnetică, care utilizează fire supraconductoare sub un câmp magnetic pentru a rezona cu țesuturile biologice și a le imagina. Aparatele RMN sunt în prezent limitate la câmpuri magnetice de la 1 la 3 Tesla. Dacă ar putea fi construiți folosind superconductori cu triplă rotire, RMN ar putea funcționa sub câmpuri magnetice superioare pentru a produce imagini mai clare și mai profunde ale corpului uman.

Noile dovezi ale supraconductivității cu rotire triplă în grafenul cu trei straturi ar putea ajuta, de asemenea, oamenii de știință să proiecteze supraconductori mai puternici pentru calculul cuantic practic.

„Valoarea acestui experiment este ceea ce ne învață despre superconductivitatea de bază și modul în care materialele se pot comporta, astfel încât, cu aceste lecții, putem încerca să proiectăm principii pentru alte materiale care sunt mai ușor de fabricat și poate că acest lucru vă va oferi o superconductivitate mai bună, ”, Spune Pablo Jarillo-Herrero, Cecil și Ida Green, profesor de fizică la Massachusetts Institute of Technology.

Printre coautori ai lucrării se numără Yuan Kao și studentul absolvent Jeong Min Park de la Massachusetts Institute of Technology, Kenji Watanabe și Takashi Taniguchi de la Institutul Național de Știința Materialelor din Japonia.

ciudată transformare

Materialele supraconductoare sunt definite de capacitatea lor extrem de eficientă de a conduce electricitatea fără pierderi de energie. Atunci când sunt expuși la un curent electric, electronii dintr-un supraconductor se împerechează în „perechi cooperare” care apoi călătoresc prin material fără rezistență, ca pasagerii dintr-un tren rapid.

În marea majoritate a supraconductoarelor, aceste perechi de pasageri au o rotire opusă, cu un electron care se învârte în sus și cu celălalt în jos – o configurație cunoscută sub numele de „spin singular”. Aceste perechi sunt accelerate de un supraconductor, cu excepția câmpurilor magnetice ridicate, care pot deplasa energia fiecărui electron în direcții opuse, separând perechea una de cealaltă. În acest fel și prin mecanisme, câmpurile magnetice ridicate pot perturba supraconductivitatea în supraconductorii de spin convenționali.

„Acesta este motivul suprem pentru care superconductivitatea dispare într-un câmp magnetic suficient de mare”, spune Park.

Dar există câțiva supraconductori ciudați care nu sunt afectați de câmpuri magnetice, chiar și de forțe foarte mari. Aceste materiale sunt supraconductoare prin perechi de electroni având aceeași rotire – o proprietate cunoscută sub numele de „triplă rotire”. Atunci când este expusă câmpurilor magnetice ridicate, energia ambilor electroni din perechea Cooper se schimbă în aceeași direcție, în așa fel încât să nu fie separați unul de celălalt, dar continuă să se supraconducă fără perturbări, indiferent de puterea câmpului magnetic.

Grupul lui Jarillo-Herrero era curios dacă grafenul cu unghi magic cu trei straturi ar putea da indicii despre superconductivitatea neobișnuită cu triplă rotire. Echipa a realizat lucrări inovatoare care studiază structurile grafene moiré – straturi de rețele de carbon subțiri atomoice care, atunci când sunt stivuite la unghiuri specifice, pot duce la comportamente electronice surprinzătoare.

Cercetătorii au raportat inițial astfel de proprietăți deosebite în două foi unghiulare de grafen, pe care le-au numit grafene cu două straturi magice. Au urmat în curând teste de grafen tri-strat, o formare sandwich de trei foi de grafen care s-a dovedit a fi mai puternică decât omologul său cu două straturi, păstrându-și în același timp supraconductivitatea la temperaturi mai ridicate. Când cercetătorii au aplicat un câmp magnetic modest, au observat că grafenul cu trei straturi era capabil să se supraconducă la intensități de câmp care să distrugă supraconductivitatea în grafenul cu două straturi.

„Am crezut că este un lucru foarte ciudat”, spune Jarilo Herrero.

revenire miraculoasă

În noul lor studiu, fizicienii au testat supraconductivitatea grafenului cu trei straturi în câmpuri magnetice din ce în ce mai mari. Au fabricat materialul prin exfolierea straturilor subțiri de carbon dintr-un bloc de grafit, stivuind trei straturi împreună și rotind stratul mediu cu 1,56 grade față de straturile exterioare. Au atașat un electrod la fiecare capăt al materialului pentru a trece un curent prin el și pentru a măsura orice energie pierdută în proces. Apoi au pornit un magnet mare în laborator, cu un câmp pe care l-au îndreptat paralel cu materialul.

Când au mărit câmpul magnetic în jurul grafenului cu trei straturi, au observat că supraconductivitatea s-a menținut destul de puternic înainte de a dispărea, dar apoi a reapărut intrigant la intensități mai mari ale câmpului – o renaștere foarte neobișnuită care nu se știe că se produce în superconductorii convenționali.

„În superconductorii cu rotație simplă, dacă ucizi superconductivitatea, aceasta nu se mai întoarce niciodată – a dispărut pentru totdeauna”, spune Kao. „Aici a reapărut din nou. Deci, acest lucru indică cu siguranță că acest material nu este o singură piesă.”

De asemenea, au observat că, după „reintrare”, superconductivitatea a persistat până la 10 Tesla, puterea maximă a câmpului pe care un magnet de laborator ar putea să o producă. Acest lucru este de aproximativ trei ori mai mare decât ceea ce ar trebui să reziste un supraconductor dacă ar fi un singur spin convențional, conform limitei Pauli, o teorie care prezice câmpul magnetic maxim în care un material poate păstra superconductivitatea.

Apariția superconductivității grafenului cu trei straturi, combinată cu stabilitatea sa în câmpuri magnetice mai mari decât se aștepta, exclude posibilitatea ca materialul să fie un supraconductor obișnuit. În schimb, este probabil să fie o specie foarte rară, probabil tripletă, care găzduiește perechi Cooper care accelerează prin material, impermeabile la câmpuri magnetice ridicate. Echipa intenționează să pătrundă în material pentru a confirma starea sa de centrifugare precisă, ceea ce ar putea ajuta la proiectarea unor RMN mai puternice, precum și a unor computere cuantice mai puternice.

„Calculul cuantic regulat este foarte fragil”, spune Jarillo Herrero. „Te uiți la el și dispare homo. Acum aproximativ 20 de ani, teoreticienii au propus un tip de superconductivitate topologică care, dacă ar fi atinsă în orice material, ar putea [enable] Un computer cuantic în care statele responsabile de calcul sunt foarte puternice. Acest lucru ar oferi o putere mai infinită de a face calcule. Elementul cheie de care trebuie să fii conștient este supraconductorii cu triplă rotire, de un anumit tip. Nu avem nicio idee dacă specia noastră este de acest gen. Dar chiar dacă acest lucru nu ar fi cazul, acest lucru ar putea facilita plasarea grafenului cu trei straturi cu alte materiale pentru a proiecta acest tip de superconductivitate. Ar putea fi un mare hack. Dar este încă prea devreme „.

Referință: „Încălcarea limitei Pauli și reintrarea superconductivității în graficul ondulat” De Yuan Kao, Jeong Min Park, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi și Pablo Jarillo-Herrero, 21 iulie 2021, natură.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-y

Această cercetare a fost susținută de Departamentul pentru Energie al SUA, Fundația Națională pentru Științe, Fundația Gordon și Betty Moore, Fundația Ramon Arises și Programul Sevare Quantum Materials.