Fyzici MIT objevili, že třívrstvý grafen s „magickým úhlem“ může být vzácný magneticky odolný supravodič.

Nové poznatky mohou pomoci navrhnout výkonnější přístroje MRI nebo výkonnější kvantové počítače.

Fyzici z Massachusettského technologického institutu zaznamenali známky vzácného typu supravodivosti v materiálu zvaném třívrstvý grafen zkroucený v magickém úhlu. Ve studii uvedené v PřírodaVědci uvádějí, že materiál vykazuje supravodivost v překvapivě vysokých magnetických polích až 10 Tesla, což je třikrát vyšší, než by se dalo očekávat, pokud by šlo o konvenční supravodič.

Výsledky silně naznačují, že magický třívrstvý grafen, který byl původně objeven stejnou skupinou, je velmi vzácným typem supravodiče, známého jako „spin triplet“, nepropustný pro vysoká magnetická pole. Takové exotické supravodiče by mohly výrazně vylepšit techniky, jako je zobrazování magnetickou rezonancí, které využívá supravodivé dráty pod magnetickým polem k rezonanci biologických tkání a jejich zobrazení. MRI přístroje jsou v současné době omezeny na magnetická pole od 1 do 3 Tesla. Pokud by bylo možné je postavit pomocí trojitých spinů, mohlo by MRI pracovat pod vyššími magnetickými poli a vytvářet jasnější a hlubší obrazy lidského těla.

Nové důkazy o supravodivosti trojitých spinů v trojvrstvém grafenu by také mohly vědcům pomoci navrhnout silnější supravodiče pro praktické kvantové výpočty.

„Hodnota tohoto experimentu je to, co nás učí o základní supravodivosti a o tom, jak se materiály mohou chovat, takže s těmito lekcemi se můžeme pokusit navrhnout principy pro jiné materiály, které se snadněji vyrábějí, a možná vám to dá lepší supravodivost,“ ”Říká Pablo Jarillo-Herrero, Cecil a Ida Green profesor fyziky na Massachusetts Institute of Technology.

Spoluautoři příspěvku zahrnují Yuan Kao a postgraduální student Jeong Min Park na Massachusetts Institute of Technology, Kenji Watanabe a Takashi Taniguchi z Národního institutu materiálových věd v Japonsku.

podivná transformace

Supravodivé materiály jsou definovány jejich vysoce účinnou schopností vést elektřinu bez ztráty energie. Když jsou vystaveny elektrickému proudu, elektrony v supravodiči se spojí do „párů mědi“, které pak cestují materiálem bez odporu, jako cestující v rychlém vlaku.

Ve velké většině supravodičů mají tyto dvojice cestujících opačný spin, přičemž jeden elektron se otáčí nahoru a druhý dolů – konfigurace známá jako „spin singuláru“. Tyto páry jsou urychlovány supravodičem, s výjimkou vysokých magnetických polí, která mohou posunout energii každého elektronu v opačných směrech a oddělit pár od sebe navzájem. Tímto způsobem a prostřednictvím mechanismů mohou vysoká magnetická pole narušit supravodivost u konvenčních spinových supravodičů.

„To je hlavní důvod, proč supravodivost zmizí v dostatečně velkém magnetickém poli,“ říká Park.

Existuje však několik podivných supravodičů, které nejsou ovlivněny magnetickými poli, dokonce ani velmi silné síly. Tyto materiály jsou supravodivé dvojicemi elektronů se stejným spinem – vlastností známou jako „triple spin“. Při vystavení vysokým magnetickým polím se energie obou elektronů v páru Cooper posune stejným směrem, a to tak, že nejsou od sebe odděleny, ale pokračují v supravodivosti bez rušení, bez ohledu na sílu magnetického pole.

Jarillo-Herreroova skupina byla zvědavá, zda trojvrstvý grafen s magickým úhlem může nést stopy neobvyklé trojvodičové supravodivosti. Tým vytvořil průkopnickou práci studující struktury grafenového moaré – vrstvy atomových tenkých uhlíkových mřížek, které, když jsou naskládány pod určitými úhly, mohou vést k překvapivému elektronickému chování.

Vědci původně uváděli takové zvláštní vlastnosti ve dvou šikmých vrstvách grafenu, které nazývali magický dvouvrstvý grafen. Brzy následovali testy třívrstvého grafenu, sendvičové formace tří listů grafenu, u které bylo zjištěno, že je silnější než jeho dvouvrstvý protějšek, při zachování své supravodivosti při vyšších teplotách. Když vědci použili skromné ​​magnetické pole, všimli si, že třívrstvý grafen je schopen supravodivosti při intenzitách pole, které by zničily supravodivost ve dvouvrstvém grafenu.

„Mysleli jsme si, že je to velmi zvláštní věc,“ říká Jarilo Herrero.

zázračný návrat

Ve své nové studii fyzici testovali supravodivost třívrstvého grafenu pod stále vyššími magnetickými poli. Materiál vyrobili odlupováním tenkých vrstev uhlíku z bloku grafitu, stohováním tří vrstev dohromady a otáčením střední vrstvy o 1,56 stupně vzhledem k vnějším vrstvám. Připevnili elektrodu na oba konce materiálu, aby prošli proudem a měřili veškerou energii ztracenou v procesu. Potom v laboratoři zapnuli velký magnet s polem, které směřovali rovnoběžně s materiálem.

Když zvýšili magnetické pole kolem třívrstvého grafenu, všimli si, že supravodivost se před zmizením poměrně silně držela, ale poté se znovu objevila zajímavě při vyšších silách pole – velmi neobvyklé oživení, o kterém u konvenčních supravodičů není známo.

„U supravodičů s jedním spinem, pokud zabijete supravodivost, nikdy se nevrátí – je to navždy pryč,“ říká Kao. „Tady se znovu objevil. Takže to rozhodně naznačuje, že tento materiál není jediný kus.“

Poznamenali také, že po „opětovném vstupu“ přetrvávala supravodivost až 10 Tesla, což je maximální intenzita pole, kterou může laboratorní magnet vyprodukovat. To je asi třikrát více, než by musel supravodič vydržet, pokud by šlo o konvenční spinový singl, podle Pauliho limitu, teorie, která předpovídá maximální magnetické pole, ve kterém si materiál může udržet supravodivost.

Vzhled trojvrstvé grafenové supravodivosti v kombinaci s jeho stabilitou ve vyšších než očekávaných magnetických polích vylučuje možnost, že materiál je obyčejný supravodič. Místo toho je pravděpodobné, že se bude jednat o velmi vzácný, pravděpodobně trojitý druh, který hostí Cooperovy páry, které projíždějí materiálem nepropustným pro velká magnetická pole. Tým plánuje vrtat do materiálu, aby potvrdil jeho přesný stav rotace, což by mohlo pomoci navrhnout výkonnější MRI a výkonnější kvantové počítače.

„Pravidelné kvantové výpočty jsou velmi křehké,“ říká Jarillo Herrero. „Podíváte se na to a zmizí to homo. Asi před 20 lety navrhli teoretici typ topologické supravodivosti, který, pokud by byl dosažen v jakémkoli materiálu, by mohl [enable] Kvantový počítač, kde jsou státy odpovědné za výpočet velmi silné. To by poskytlo více nekonečné síly k práci na počítači. Klíčovým prvkem, který si musíte uvědomit, jsou supravodiče s trojitým spinem určitého typu. Nemáme tušení, jestli je náš druh takový. Ale i kdyby tomu tak nebylo, mohlo by to usnadnit umístění třívrstvého grafenu s jinými materiály k vytvoření tohoto typu supravodivosti. Může to být skvělý hack. Ale je ještě příliš brzy. “

Odkaz: „Porušení Pauliho limitu a opětovný vstup supravodivosti do zvlnění grafenu“ Yuan Kao, Jeong Min Park, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi a Pablo Jarillo-Herrero, 21. července 2021, Příroda.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-y

Tento výzkum byl podpořen americkým ministerstvem energetiky, National Science Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation, Ramon Arises Foundation a Sevare Quantum Materials Program.