04.02.2021 - Massachusetts Institute of Technology

Physiker erzeugen abstimmbare Supraleitung in verdrehtem Graphen-'Nanosandwich'

Struktur könnte Bedingungen für Hochtemperatur-Supraleitung aufdecken

Wenn zwei Graphenschichten im richtigen Winkel übereinander gestapelt werden, verwandelt sich die Schichtstruktur in einen unkonventionellen Supraleiter, durch den elektrische Ströme ohne Widerstand und Energieverschwendung fließen können.

Diese "Magischer-Winkel"-Umwandlung in zweischichtigem Graphen wurde erstmals 2018 in der Gruppe von Pablo Jarillo-Herrero, dem Cecil and Ida Green Professor of Physics am MIT, beobachtet. Seitdem haben Wissenschaftler im aufstrebenden Feld der "Twistronik" nach anderen Materialien gesucht, die auf ähnliche Weise in die Supraleitfähigkeit verdreht werden können. Bislang hat kein anderes verdrilltes Material Supraleitung gezeigt, außer dem ursprünglichen verdrillten zweischichtigen Graphen - bis jetzt.

In einer in Nature erschienenen Arbeit berichten Jarillo-Herrero und seine Gruppe von der Beobachtung der Supraleitung in einem Sandwich aus drei Graphenschichten, von denen die mittlere Schicht in einem neuen Winkel zu den äußeren Schichten verdreht ist. Diese neue Dreischicht-Konfiguration zeigt eine Supraleitung, die robuster ist als ihr zweischichtiges Gegenstück.

Die Forscher können die Supraleitfähigkeit der Struktur auch durch Anlegen und Variieren der Stärke eines externen elektrischen Feldes einstellen. Durch die Abstimmung der Dreischichtstruktur konnten die Forscher ultrastark gekoppelte Supraleitung erzeugen, eine exotische Art von elektrischem Verhalten, das bisher in keinem anderen Material beobachtet wurde.

"Es war nicht klar, ob Graphen mit magischen Winkeln in zwei Schichten eine Ausnahmeerscheinung ist, aber jetzt wissen wir, dass es nicht allein ist; es hat einen Cousin im Fall der Dreischicht", sagt Jarillo-Herrero. "Die Entdeckung dieses hypertunen Supraleiters erweitert das Feld der Twistronik in völlig neue Richtungen, mit potenziellen Anwendungen in der Quanteninformation und Sensortechnologie."

Seine Co-Autoren sind Hauptautor Jeong Min Park und Yuan Cao am MIT sowie Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi vom National Institute of Materials Science in Japan.

Eine neue Superfamilie

Kurz nachdem Jarillo-Herrero und seine Kollegen entdeckt hatten, dass Supraleitung in verdrilltem zweischichtigem Graphen erzeugt werden kann, schlugen Theoretiker vor, dass dasselbe Phänomen auch in drei oder mehr Schichten von Graphen auftreten könnte.

Ein Blatt Graphen ist eine atomdünne Schicht aus Graphit, die vollständig aus Kohlenstoffatomen besteht, die in einem wabenförmigen Gitter angeordnet sind, wie der dünnste und stabilste Hühnerdraht. Die Theoretiker schlugen vor, dass, wenn drei Schichten Graphen wie ein Sandwich gestapelt würden, wobei die mittlere Schicht um 1,56 Grad in Bezug auf die äußeren Schichten gedreht wäre, die verdrehte Konfiguration eine Art von Symmetrie schaffen würde, die die Elektronen im Material dazu ermutigen würde, sich zu paaren und ohne Widerstand zu fließen - das Markenzeichen der Supraleitung.

"Wir dachten, warum nicht, lass es uns ausprobieren und diese Idee testen", sagt Jarillo-Herrero.

Park und Cao konstruierten dreischichtige Graphenstrukturen, indem sie ein einzelnes hauchdünnes Graphenblatt sorgfältig in drei Abschnitte zerschnitten und jeden Abschnitt in den von den Theoretikern vorhergesagten exakten Winkeln übereinander stapelten.

Sie stellten mehrere dreischichtige Strukturen her, von denen jede nur wenige Mikrometer im Durchmesser misst (etwa 1/100 des Durchmessers eines menschlichen Haares) und drei Atome hoch ist.

"Unsere Struktur ist ein Nanosandwich", sagt Jarillo-Herrero.

Das Team befestigte dann Elektroden an beiden Enden der Strukturen und ließ einen elektrischen Strom durchlaufen, während es die Menge an Energie maß, die im Material verloren ging oder abgeleitet wurde.

"Wir sahen, dass keine Energie abgeleitet wurde, was bedeutet, dass es sich um einen Supraleiter handelte", sagt Jarillo-Herrero. "Wir müssen den Theoretikern Anerkennung zollen - sie haben den Winkel richtig eingeschätzt."

Er fügt hinzu, dass die genaue Ursache für die Supraleitfähigkeit der Struktur - ob sie auf die Symmetrie zurückzuführen ist, wie die Theoretiker vorschlugen, oder nicht - noch nicht bekannt ist und etwas ist, das die Forscher in zukünftigen Experimenten testen wollen.

"Für den Moment haben wir eine Korrelation, nicht eine Kausalität", sagt er. "Jetzt haben wir zumindest einen Weg, um möglicherweise eine große Familie von neuen Supraleitern zu erforschen, die auf dieser Symmetrie-Idee basieren."

"Der größte Knall"

Bei der Erforschung ihrer neuen Dreischichtstruktur fand das Team heraus, dass sie die Supraleitfähigkeit auf zwei Arten kontrollieren können. Mit ihrem vorherigen Zweischicht-Design konnten die Forscher die Supraleitung durch Anlegen einer externen Gate-Spannung einstellen, um die Anzahl der durch das Material fließenden Elektronen zu verändern. Während sie die Gatespannung auf- und abwärts wählten, maßen sie die kritische Temperatur, bei der das Material aufhörte, Energie abzugeben und supraleitend wurde. Auf diese Weise war das Team in der Lage, die Supraleitfähigkeit von zweischichtigem Graphen ein- und auszuschalten, ähnlich wie bei einem Transistor.

Das Team verwendete die gleiche Methode, um dreischichtiges Graphen abzustimmen. Sie entdeckten auch eine zweite Möglichkeit, die Supraleitung des Materials zu kontrollieren, die bei zweischichtigem Graphen und anderen verdrehten Strukturen nicht möglich war. Durch den Einsatz einer zusätzlichen Elektrode konnten die Forscher ein elektrisches Feld anlegen, um die Verteilung der Elektronen zwischen den drei Schichten der Struktur zu verändern, ohne die gesamte Elektronendichte der Struktur zu verändern.

"Diese beiden unabhängigen Regler geben uns nun eine Menge Informationen über die Bedingungen, unter denen Supraleitung auftritt, was einen Einblick in die entscheidende Physik geben kann, die für die Bildung eines solch ungewöhnlichen supraleitenden Zustands entscheidend ist", sagt Park.

Mit beiden Methoden zur Abstimmung der Dreischichtstruktur beobachtete das Team Supraleitung unter einer Reihe von Bedingungen, darunter auch bei einer relativ hohen kritischen Temperatur von 3 Kelvin, selbst wenn das Material eine geringe Elektronendichte hatte. Im Vergleich dazu hat Aluminium, das als Supraleiter für Quantencomputer erforscht wird, eine viel höhere Dichte an Elektronen und wird erst bei etwa 1 Kelvin supraleitend.

"Wir haben herausgefunden, dass Graphen mit magischen Winkeln der am stärksten gekoppelte Supraleiter sein kann, was bedeutet, dass es bei einer relativ hohen Temperatur supraleitend wird, wenn man bedenkt, wie wenige Elektronen es haben kann", sagt Jarillo-Herrero. "Es gibt den größten Knall für das Geld."

Die Forscher planen, verdrehte Graphen-Strukturen mit mehr als drei Schichten herzustellen, um zu sehen, ob solche Konfigurationen mit höheren Elektronendichten Supraleitung bei höheren Temperaturen zeigen können, sogar in der Nähe der Raumtemperatur.

"Wenn wir diese Strukturen wie jetzt im industriellen Maßstab herstellen könnten, könnten wir supraleitende Bits für die Quantenberechnung oder kryogene supraleitende Elektronik, Photodetektoren usw. herstellen. Wir haben noch nicht herausgefunden, wie man Milliarden davon auf einmal herstellen kann", sagt Jarillo-Herrrero.

"Unser Hauptziel ist es, die grundlegende Natur dessen herauszufinden, was der stark gekoppelten Supraleitung zugrunde liegt", sagt Park. "Dreischichtiges Graphen ist nicht nur der am stärksten gekoppelte Supraleiter, der je gefunden wurde, sondern auch der am besten abstimmbare. Mit dieser Abstimmbarkeit können wir die Supraleitung wirklich erforschen, überall im Phasenraum."

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