Fiziki MIT odkrili, da je troslojni grafen “čarobnega kota” redek superprevodnik, odporen proti magnetom

Fiziki MIT so opazili znake redke vrste superprevodnosti v materialu, imenovanem troslojni grafen z “čarobnim kotom”. zasluga: Prispevek Pablo Jarilo-Herrero, Yuan Cao, Jeong Min Park in drugi

Nove ugotovitve bi lahko pomagale pri oblikovanju močnejših MRI naprav ali močnejših kvantnih računalnikov.

Fiziki MIT so opazili znake redke vrste superprevodnosti v materialu, imenovanem troslojni grafen z zvitimi čarobnimi koti. V študiji, ki je nastopila leta Naravaraziskovalci poročajo, da material kaže superprevodnost pri presenetljivo visokih magnetnih poljih do 10 Tesla, kar je trikrat višja od tiste, ki naj bi jo material prenašal, ko gre za običajni superprevodnik.

Rezultati močno kažejo, da je triplastni čarobni kot grafen, ki ga je sprva odkrila ista skupina, zelo redek tip superprevodnika, znan kot “spin-triplet”, ki je sposoben delovati pri visokih magnetnih poljih. Takšni eksotični superprevodniki bi lahko močno izboljšali tehnologije, kot je slikanje z magnetno resonanco, ki uporablja superprevodniške žice pod magnetnim poljem in rezonira z biološkim tkivom. MRI stroji so trenutno omejeni na magnetna polja od 1 do 3 Tesle. Če jih je mogoče izdelati s spin-triplet superprevodniki, bi MRI lahko delovali pod visokimi magnetnimi polji, da bi ustvarili ostre, globoke slike človeškega telesa.

Novi dokazi o spin-triplet superprevodnosti v troslojnem grafenu lahko znanstvenikom pomagajo tudi pri oblikovanju robustnih superprevodnikov za praktično kvantno računanje.

“Vrednost tega eksperimenta je, da nas uči o temeljni superprevodnosti, kako se materiali lahko obnašajo, tako da lahko z naučenimi spoznanji poskusimo oblikovati načela za druge materiale, ki jih je lažje izdelati.” Kar bi vam lahko dalo boljšo superprevodnost, ”Pravi Pablo Jarillo-Herrero, profesorica Cecila in Ide Green za fiziko na MIT.

Njegova soavtorja pri prispevku sta postdoc Yuan Cao in Jeong Min Park, podiplomski študent MIT, ter Kenji Watanabe in Takashi Taniguchi z Nacionalnega inštituta za znanost o materialih na Japonskem.

READ  NASA na vesoljsko postajo pobere astronavta Jeanette Epps za misijo Boeing

čudna sprememba

Superprevodne materiale opredeljuje njihova super učinkovita sposobnost prevajanja električne energije brez izgube energije. Ko so elektroni v superprevodniku izpostavljeni električnemu toku, se združijo v “Cooperjeve pare”, ki nato potujejo skozi material brez upora, na primer potniki v hitrem vlaku.

V veliki večini superprevodnikov imajo ti popotniški pari nasprotna vrtenja, pri čemer se en elektron vrti navzgor, drugi pa navzdol – konfiguracijo, znano kot “spin-singlet”. Ti pari se srečno premikajo skozi superprevodnik, razen v visokih magnetnih poljih, ki lahko prenesejo energijo vsakega elektrona v nasprotne smeri, pri čemer par raztrgajo. Na ta način in z mehanizmi lahko visoka magnetna polja izničijo superprevodnost v običajnih spin-singletnih superprevodnikih.

“Zato v dovolj velikem magnetnem polju superprevodnost izgine,” pravi Park.

Obstaja pa peščica eksotičnih superprevodnikov, ki so neprepustni za magnetna polja, do zelo velikih sil. Te snovi superprevajajo skozi pare elektronov z enakim spinom – lastnost, znana kot “spin-triplet”. Ko sta energija obeh elektronov v Cooperjevem paru izpostavljena močnim magnetnim poljem, se premika v isti smeri, tako da se ne ločita, ampak še naprej superprevajata ne glede na jakost magnetnega polja.

Skupino Jarillo-Herrero je zanimalo, ali bi lahko triplastni grafen s čarobnim kotom vseboval znake te bolj nenavadne spin-trojne superprevodnosti. Skupina je opravila pionirsko delo pri preučevanju struktur grafenskega moira – plasti atomsko tanke ogljikove rešetke, ki lahko vodijo do presenetljivega elektronskega vedenja, če so zložene pod določenimi koti.

Raziskovalci so o tako radovednih lastnostih najprej poročali v dveh kotnih listih grafena, ki so jih poimenovali dvoslojni grafen s čarobnim kotom. Kmalu so sledili testi troslojnega grafena, sendvič-konfiguracije treh grafenskih plošč, ki so postale močnejše od dvoslojne kolegice, da so ohranile superprevodnost pri visokih temperaturah. Ko so raziskovalci uporabili rahlo magnetno polje, so opazili, da je bil troslojni grafen sposoben superprevoditi pri poljskih jakostih, ki bi uničile superprevodnost dvoslojnega grafena.

READ  Sintetična biologija mikroorganizmom omogoča izgradnjo mišic

“Mislili smo, da je to nekaj zelo čudnega,” pravi Jarilo-Herrero.

super povratek

V svoji novi študiji so fiziki preizkusili superprevodnost troslojnega grafena pod vse močnejšimi magnetnimi polji. Material so izdelali tako, da so z bloka grafita odlepili atomsko tanke plasti ogljika, tri plasti zlepili in sredino zavrteli za 1,56 stopinje glede na zunanje plasti. Na oba konca materiala so namestili elektrodo, ki je sprožila tok in izmerila izgubljeno energijo v procesu. Nato je v laboratoriju vklopil velik magnet s poljem, ki ga je usmeril vzporedno z materialom.

Ko so povečevali magnetno polje okoli troslojnega grafena, so opazili, da se je superprevodnost okrepila do točke, preden je izginila, nato pa se radovedno znova pojavila pri večjih jakostih polja – vrnitev, ki je zelo nenavadna in se ne pojavlja v običajnih spin-singletnih superprevodnikih.

“Če se superprevodniki zavrtijo, če ubiješ superprevodnost, se ta nikoli ne vrne – ni več za vedno,” pravi Cao. “Tukaj se je znova pojavilo. Torej vsekakor piše, da ta material ni spin-singlet.”

Opazili so tudi, da je po “ponovnem vstopu” superprevodnost ostala do 10 Tesla, največja poljska jakost, ki bi jo lahko ustvaril laboratorijski magnet. Po Paulijevi meji je to približno trikrat večje od tistega, kar lahko prenese superprevodnik, če ima običajni spin-singlet, teorija, ki napoveduje največje magnetno polje, pri katerem lahko material ohranja superprevodnost.

Ponovna pojavitev troslojne superprevodnosti grafena, skupaj z njeno obstojnostjo pri višjih magnetnih poljih, kot je bilo napovedano, izključuje možnost, da je material tekoči superprevodnik. Namesto tega gre za zelo redek tip, po možnosti spin-triplet, ki gosti Cooperjeve pare, ki se premikajo skozi material in niso prepuščeni močnim magnetnim poljem. Skupina načrtuje, da bo podrobno razčlenila material, da bi potrdila njegovo natančno stanje ožemanja, kar bi lahko pomagalo pri oblikovanju močnejših MRI naprav in še močnejših kvantnih računalnikov.

READ  Ali je Planet 9 lahko prvotna črna luknja?

“Redno kvantno računalništvo je zelo krhko,” pravi Jarilo-Herrero. “Pogledate ga in, puf, izgine. Pred približno 20 leti so teoretiki predlagali vrsto topološke superprevodnosti, ki bi, če bi bila realizirana v materialu, [enable] Kvantni računalnik, kjer so države, odgovorne za računanje, zelo močne. To bo dalo neskončno več moči za računalništvo. Ključne komponente za uresničitev tega bi bile določene vrste spin-triplet superprevodnikov. Ne vemo, ali je naša takšna ali ne. A tudi če ni, je morda vseeno lažje kombinirati troslojni grafen z drugimi materiali za oblikovanje takšne superprevodnosti. To bi lahko bil velik uspeh. A še prezgodaj je. “

Referenca: „Večmejna kršitev in ponovna vstopna superprevodnost v moirenem grafenu“, Yuan Cao, Jeong Min Park, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi in Pablo Jarilo-Herrero, 21. julija 2021, Narava.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-y

To raziskavo so podprli Ministrstvo za energijo ZDA, Nacionalna znanstvena fundacija, Fundacija Gordon in Betty Moore, Fundación Ramon Ares in Program kvantnih materialov CIFAR.

Mojca Andreja

Nagnjena je k apatiji. Nevidni raziskovalec. Vseživljenjski guru slanine. Potovalni odvisnik. Organizator. "

Related Posts

Dodaj odgovor

Vaš e-naslov ne bo objavljen. * označuje zahtevana polja

Read also x