Gedraaid grafeen onthult exotische supergeleiding

Natuurkundigen hebben een zeldzaam dubbelkoepelpatroon van supergeleiding in drielaags gedraaid grafeen direct waargenomen en gecontroleerd, wat licht werpt op hoe exotische kwantumtoestanden ontstaan ​​en interacteren in technisch materiaal.

Supergeleiding is niet eenvoudig. Neem bijvoorbeeld het dubbelkoepeleffect. Wanneer wetenschappers in kaart brengen waar supergeleiding in een materiaal optreedt naarmate ze het aantal elektronen in het materiaal veranderen, zien de supergeleidende gebieden van het materiaal er soms uit als twee afzonderlijke ‘koepels’ in een grafiek.

Met andere woorden: het materiaal wordt supergeleidend, stopt dan en wordt vervolgens weer supergeleidend naarmate we de elektronendichtheid blijven veranderen.

De grafeenverbinding

Dubbele-koepel supergeleiding is al eerder waargenomen in complexe materialen, zoals grafeen. Grafeen is in wezen een laag koolstofatomen van slechts één atoom dik, aan elkaar verbonden in een honingraatpatroon. Toch heeft het de kwantummaterialenwetenschap getransformeerd, omdat het een aantal zeer vreemde effecten vertoont.

Wanneer we bijvoorbeeld twee lagen grafeen op elkaar stapelen en ze onder specifieke hoeken draaien, gedragen de elektronen in het grafeen zich op nieuwe en onverwachte manieren, waardoor kwantumfasen ontstaan ​​zoals magnetisme, elektrische isolatie en natuurlijk supergeleiding.

Maar er is een nog complexere structuur van grafeen die dit verder brengt door een derde laag toe te voegen, waardoor het systeem nog complexer en instelbaarder wordt: Magic-angle twisted trilayer grafeen (MATTG). Met MATTG kunnen onderzoekers nu een dubbel-koepel supergeleidingspatroon observeren en controleren dat voorheen alleen in grafeensystemen werd vermoed.

Dubbele-koepelsupergeleiding in gedraaid grafeen

Nu heeft een team onder leiding van Mitali Banerjee van EPFL, samen met partners in Zwitserland, het Verenigd Koninkrijk en Japan, aangetoond dat MATTG directe controle over het dubbele-koepelsupergeleidingspatroon mogelijk maakt. Door de lagen zorgvuldig te stapelen en het elektrische veld aan te passen, konden de onderzoekers het systeem nauwkeurig afstemmen en volgen waar supergeleiding verscheen of verdween door het aantal elektronen te variëren.

Hun experimenten, ondersteund door theorie, onthulden dat twee verschillende supergeleidende gebieden – de koepels – zichtbaar werden naarmate ze het aantal elektronen in MATTG geleidelijk veranderden. Het werk werpt licht op hoe onconventionele supergeleiding kan worden gecreëerd en gecontroleerd in 2D-materialen.

De onderzoekers bouwden apparaten bestaande uit drie lagen grafeen, zo gestapeld dat de middelste ongeveer 1,55 graden gedraaid is ten opzichte van de andere lagen. Ze plaatsten de stapel tussen dunne lagen isolerend hexagonaal boornitride en voegden vervolgens elektroden en gates toe om de elektronendichtheid nauwkeurig te regelen en een elektrisch ‘verplaatsingsveld’ aan te leggen. Hiermee konden ze de manier waarop elektronen door het materiaal bewegen aanpassen, waardoor supergeleiding aan of uit kon worden gezet.

Vervolgens maten de wetenschappers hoe de weerstand van MATTG veranderde door de elektronendichtheid, het magnetische veld en de toegepaste stroom te variëren bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt (100 millikelvin). Dit stelde hen in staat de gebieden in kaart te brengen waar supergeleiding optrad.

Door het verplaatsingsveld af te stemmen, konden ze de bandstructuur van het materiaal (de set regels die bepaalt hoe elektronen zich in het materiaal kunnen bewegen en gedragen) verder afstemmen, waardoor ze het ontstaan ​​en verdwijnen van het dubbele koepelpatroon konden bepalen.

Het team observeerde dat supergeleiding in gedraaid drielaags grafeen geen enkel, glad gebied vormt, maar zich in plaats daarvan opsplitst in twee afzonderlijke koepels naarmate de elektronendichtheid wordt afgestemd. Tussen de koepels wordt supergeleiding sterk onderdrukt, wat wijst op een mogelijke concurrentie of verandering in het onderliggende paringsmechanisme.

Elke koepel vertoonde unieke kenmerken: één zijde vertoonde een scherpere en plotselingere overgang naar de supergeleidende toestand, en de metingen lieten een soort ‘geheugen’ zien in hoe het materiaal reageerde op elektrische stroom: hoe het reageerde op toenemende stroomsterkte was niet hetzelfde als hoe het reageerde op afnemende stroomsterkte. De andere koepel vertoonde een geleidelijkere, langzamere overgang naar supergeleiding zonder bewijs van ‘geheugen’.

De onderzoekers ontwikkelden theoretisch werk (Hartree-Fock-berekeningen) om hun experimentele bevindingen te interpreteren. Hieruit bleek dat subtiele veranderingen in de manier waarop de elektronen zich ordenen, die worden gevormd door zowel interacties als het aangelegde verplaatsingsveld, bepalen waar supergeleiding de voorkeur geniet. De gegevens wijzen op verschillende soorten elektronenparing in de twee koepels, mogelijk gekoppeld aan veranderingen in de elektronische ‘orde’ van het systeem.

De studie benadrukt MATTG als het eerste systeem waarbij supergeleiding met een dubbele koepel direct kan worden aangestuurd door een elektrisch veld. Het biedt een nieuwe manier om te bestuderen hoe onconventionele supergeleiding ontstaat en hoe deze kan worden afgestemd, wat mogelijkheden biedt voor het ontwerpen van kwantumapparaten of het verkennen van nieuwe aggregatietoestanden in technische materialen.