Superledende materialer ligner carpoolbanen i en overbelastet mellemstat. Ligesom pendlere, der kører sammen, kan elektroner, der parrer sig, omgå den almindelige trafik, bevæge sig gennem materialet med nul friktion.
Men ligesom med samkører, hvor let elektronpar kan flyde, afhænger af en række forhold, herunder densiteten af par, der bevæger sig gennem materialet. Denne “overflødige stivhed” eller den lethed, hvorpå en strøm af elektronpar kan flyde, er et centralt mål for en materiales superledningsevne.
Fysikere ved MIT og Harvard University har nu direkte målt superfluid stivhed for første gang i “magisk-vinkel” grafen-materialer, der er lavet af to eller flere atomiske tynde lag af grafen, der er snoet med hensyn til hinanden i lige den rigtige vinkel for at aktivere En række ekstraordinære egenskaber, herunder ukonventionel superledningsevne.
Denne superledningsevne gør magisk-vinkelgrafen til en lovende byggesten til fremtidige kvante-computing-enheder, men nøjagtigt hvordan de materielle superledninger ikke er godt forstået. At kende materialets overflødige stivhed vil hjælpe forskere med at identificere mekanismen for superledningsevne i magisk-vinkelgrafen.
Holdets målinger antyder, at magisk-vinkelgrafenes superledningsevne primært styres af kvantegometri, der henviser til den konceptuelle “form” af kvantetilstande, der kan eksistere i et givet materiale.
Resultaterne, der er rapporteret i tidsskriftet Naturrepræsenterer første gang forskere direkte målte overflødig stivhed i et to-dimensionelt materiale. For at gøre dette udviklede teamet en ny eksperimentel metode, som nu kan bruges til at foretage lignende målinger af andre to-dimensionelle superledende materialer.
“Der er en hel familie på 2D-superledere, der venter på at blive undersøgt, og vi skraber virkelig bare overfladen,” siger studie-lederforfatter Joel Wang, en forsker i MIT’s Research Laboratory of Electronics (RLE).
Undersøgelsens medforfattere fra MITs hovedcampus og Lincoln Laboratory inkluderer co-lead-forfatter og tidligere RLE Postdoc Miuko Tanaka, Pablo Jarillo-Herrero, William D. Oliver og andre.
Magisk resonans
Siden opdagelsen i 2004 har Graphene vist sig at være et underligt stof af slags. Materialet er effektivt et enkelt atom-tyndt ark af grafit bestående af en præcis kyllingetrådgitter af carbonatomer. Denne enkle konfiguration kan udvise en række superlative kvaliteter med hensyn til grafens styrke, holdbarhed og evne til at udføre elektricitet og varme.
I 2018 opdagede Jarillo-Herrero, at når to grafenplader er stablet oven på hinanden, i en præcis “Magic” -vinkel, den snoede struktur-kendt som magisk-vinkel snoet dobbeltlags grafen eller Matbg-udmærker sig helt nye egenskaber, inklusive superledelse, hvor elektroner parrer sig, snarere end at afvise hinanden, som de gør i hverdagens materialer.
Disse såkaldte Cooper-par kan danne en superfluid med potentialet til superledende, hvilket betyder, at de kunne bevæge sig gennem et materiale som en ubesværet, friktionsfri strøm.
“Men selvom Cooper -par ikke har nogen modstand, er du nødt til at anvende noget skub i form af et elektrisk felt for at få strømmen til at bevæge sig,” forklarer Wang. “Superfluid stivhed henviser til, hvor let det er at få disse partikler til at bevæge sig for at drive superledelse.”
I dag kan forskere måle overfladisk stivhed i superledende materialer gennem metoder, der generelt involverer placering af et materiale i en mikrobølgeresonator – en enhed, der har en karakteristisk resonansfrekvens, hvor et elektrisk signal vil svinge, ved mikrobølgefrekvenser, ligesom en vibrerende violinstreng.
Hvis et superledende materiale placeres i en mikrobølgeresonator, kan det ændre enhedens resonansfrekvens, og især dets “kinetiske induktans” med et beløb, som forskere direkte kan forholde sig til materialets superfluidstivhed.
Hidtil har sådanne tilgange kun været kompatible med store, tykke materialeprøver. MIT -teamet indså, at for at måle overfladisk stivhed i atomisk tynde materialer som MATBG ville kræve en ny tilgang.
“Sammenlignet med MATBG er den typiske superleder, der sonderes ved hjælp af resonatorer, 10 til 100 gange tykkere og større i området,” siger Wang. “Vi var ikke sikre på, om et så lille materiale overhovedet ville generere nogen målbar induktans.”
Et fanget signal
Udfordringen til at måle overflødig stivhed i MATBG har at gøre med at fastgøre det overordnede delikate materiale til overfladen af mikrobølgeresonatoren så problemfrit som muligt.
“For at gøre dette arbejde, vil du gøre en ideelt tabsfri – i, superledende – kontakt mellem de to materialer,” forklarer Wang. “Ellers vil det mikrobølgesignal, du sender i, blive forringet eller endda bare hoppe tilbage i stedet for at gå ind i dit målmateriale.”
Will Oliver’s gruppe hos MIT har udviklet teknikker til nøjagtigt at forbinde ekstremt delikate to-dimensionelle materialer med det mål at bygge nye typer kvantebits til fremtidige kvante-computing-enheder.
Til deres nye undersøgelse anvendte Tanaka, Wang og deres kolleger disse teknikker til problemfrit at forbinde en lille prøve af MATBG til slutningen af en aluminiums mikrobølgeresonator. For at gøre dette anvendte gruppen først konventionelle metoder til at samle MATBG, og klemtede derefter strukturen mellem to isolerende lag af hexagonalt bornitrid til at hjælpe med at opretholde MATBGs atomstruktur og egenskaber.
“Aluminium er et materiale, vi bruger regelmæssigt i vores superledende kvantecomputerforskning, for eksempel aluminiumsresonatorer til at læse aluminiumskvantbits (qubits),” forklarer Oliver.
“Så vi tænkte, hvorfor ikke få mest muligt ud af resonatoren fra aluminium, som er relativt ligetil for os, og derefter tilføje en lille MATBG til slutningen af det? Det viste sig at være en god ide.”
“For at kontakte MATBG ætser vi det meget skarpt, som at skære gennem lag af en kage med en meget skarp kniv,” siger Wang. “Vi udsætter en side af den friskskårne MATBG, som vi derefter deponerer aluminium-det samme materiale som resonatoren-for at skabe en god kontakt og danne en aluminiumsledning.”
Forskerne tilsluttede derefter aluminiumledningen af MATBG -strukturen til den større aluminiums mikrobølgeresonator. De sendte et mikrobølgesignal gennem resonatoren og målte det resulterende skift i dens resonansfrekvens, hvorfra de kunne udlede den kinetiske induktans af MATBG.
Da de konverterede den målte induktans til en værdi af superfluid stivhed, fandt forskerne imidlertid, at det var meget større end hvad konventionelle teorier om superledningsevne ville have forudsagt. De havde en lunch, som overskuddet havde at gøre med MATBGs kvantegometri – den måde, hvorpå elektronerne er korreleret med hinanden.
“Vi så en ti gange stigning i overflødig stivhed sammenlignet med konventionelle forventninger, med en temperaturafhængighed, der var i overensstemmelse med, hvad teorien om kvantegometri forudsiger,” siger Tanaka. “Dette var en ‘rygepistol’, der pegede på kvantegometriens rolle i styring af overflødig stivhed i dette to-dimensionelle materiale.”
“Dette arbejde repræsenterer et godt eksempel på, hvordan man kan bruge sofistikeret kvanteteknologi, der i øjeblikket bruges i kvantekredsløb til at undersøge kondenserede stofsystemer, der består af stærkt interagerende partikler,” tilføjer Jarillo-Herrero.
En komplementær undersøgelse af magisk-vinkel snoet trilayer grafen (Mattg), udført af et samarbejde mellem Philip Kims gruppe ved Harvard University og Jarillo-Herrero’s Group hos MIT, vises i samme udgave af Natur.