Многозадачное графеновое устройство может помочь в изучении экзотической квантовой физики

Многозадачное графеновое устройство может помочь в изучении экзотической квантовой физики

Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (лаборатория Беркли) создали новое многозадачное графеновое устройство, которое на тоньше человеческого волоса но имеет глубина уникальных черт.

Схема сверхрешеточного сверхпроводящего / изоляторного устройства из графена / нитрида бора, состоящего из трехслойного гетероструктурного материала: (2D) слои графена (серый), помещенные между 2D слоями нитрида бора (красный и синий), чтобы сформировать повторяющийся узор, называемый муаровой сверхрешеткой. Сверхпроводимость обозначена светло-зелеными кружками, которые представляют дыру (положительный заряд), расположенную на каждой элементарной ячейке сверхрешетки муара. (Изображение предоставлено: Guorui Chen / Berkeley Lab)

Этот ультратонкий материал удобно превращается из сверхпроводника в изолятор и снова превращается в сверхпроводник. Все это происходит простым щелчком переключателя. Когда материал находится в состоянии сверхпроводника, он проводит электричество, не теряя никакой энергии, и когда он находится в состоянии изолятора, он сопротивляется потоку электрического тока. Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Nature .

Обычно, когда кто-то хочет изучить, как электроны взаимодействуют друг с другом в сверхпроводящей квантовой фазе по сравнению с изолирующей фазой, они должны смотреть на разные материалы. С нашей системой вы можете изучать как фазу сверхпроводимости, так и фазу изоляции в одном месте.

Гуоруй Чен, ведущий научный сотрудник и доктор наук, физический факультет лаборатории Беркли

Чэнь работает в лаборатории Фэн Вана, который возглавлял исследование. Ван – научный сотрудник отделения материаловедения лаборатории Беркли, а также профессор физики Калифорнийского университета в Беркли.

Новое графеновое устройство состоит из трех атомарно тонких (2D) слоев графена, плотно упакованных между 2D слоями нитрида бора, для создания повторяющегося узора, известного как сверхрешетка муара.

Этот материал может позволить другим исследователям интерпретировать сложную механику явления, называемого высокотемпературной сверхпроводимостью. В этом явлении электричество может проводиться материалом при температурах выше, чем прогнозировалось – хотя все еще на сотни градусов ниже нуля – без какого-либо сопротивления.

В более раннем исследовании ученые сообщили о визуализации характеристик изолятора Мотта – класса материалов – в устройстве, состоящем из трехслойного графена. На сотнях градусов ниже нуля изолятор Мотта не проводит электричество, несмотря на общепринятую теорию предсказания электропроводности. Однако традиционно считалось, что изолятор Мотта может стать сверхпроводящим при добавлении большего количества положительных зарядов или электронов, пояснил Чен.

В последнее десятилетие исследователи изучали способы интеграции различных 2D материалов, обычно начиная с графена – материала, который может эффективно проводить электричество и тепло. На основе этой работы было обнаружено, что муаровые сверхрешетки, созданные с помощью графена, демонстрируют необычную физику, такую ​​как сверхпроводимость, при выравнивании слоев только под прямым углом.

« Итак, для этого исследования мы спросили себя:« Если наша трехслойная графеновая система представляет собой изолятор Мотта, может ли она быть также сверхпроводником? », – заявил Чен.

Открытие ворот в новый мир физики

Исследователи – в сотрудничестве с Дэвидом Голдхабером-Гордоном из Стэнфордского университета и Стэнфордским институтом материаловедения и энергетики в Национальной лаборатории ускорителей SLAC и Юаньбо Чжаном из Фуданского университета – использовали холодильник для разбавления, который может достигать чрезвычайно низких температур 40 мК, или почти –460 ºF, для охлаждения температуры устройства графен / нитрид бора, при котором ученые ожидали, что сверхпроводимость возникнет вблизи фазы изолятора Мотта, сообщил Чен.

Как только устройство графена / нитрида бора достигло температуры 4 К (-452 ºF), ученые применили диапазон электрических напряжений к маленьким верхним и нижним воротам устройства.

Как было предсказано командой, когда высокое вертикальное электрическое поле прикладывается к верхним и нижним воротам устройства, каждая ячейка устройства графен / нитрид бора заполняется электроном. В результате электроны стабилизируются и остаются на месте, и именно эта «локализация» электронов превращает устройство в изолятор Мотта.

Впоследствии, исследователи приложили еще большее электрическое напряжение к воротам устройства, но к их удивлению, второе чтение показало, что электроны больше не были стабильными.

Скорее, они путешествовали, путешествовали из одной камеры в другую и проводили электричество без какого-либо сопротивления или потерь. Проще говоря, устройство перешло с фазы изолятора Мотта на фазу сверхпроводника.

Муаровая сверхрешетка нитрида бора каким-то образом усиливает взаимодействия между электронами, возникающие при подаче электрического напряжения на устройство – эффект, который изменяется на его сверхпроводящей фазе, пояснил Чен. Это также обратимо, то есть устройство переходит обратно в изоляционное состояние, когда к воротам прикладывается более низкое электрическое напряжение.

Многозадачное устройство предоставляет исследователям небольшую, универсальную игровую площадку для изучения уникального взаимодействия электронов и атомов в новых экзотических сверхпроводящих материалах с многообещающими применениями в квантовых компьютерах, а также новых изоляционных материалах Мотта, которые, как ожидается, сделают компактные двухмерные транзисторы Мотта для микроэлектроника реальность. Квантовые компьютеры – это компьютеры, которые хранят и используют данные в кубитах, которые обычно являются субатомными частицами, такими как фотоны или электроны,

Этот результат был очень волнующим для нас. Мы никогда не предполагали, что устройство графен / нитрид бора будет так хорошо. С его помощью вы можете изучать практически все, от отдельных частиц до сверхпроводимости. Это лучшая из известных мне систем для изучения новых видов физики.

Гуоруй Чен, ведущий научный сотрудник и доктор наук, физический факультет лаборатории Беркли

Исследование было поддержано Центром новых путей квантовой когерентности в материалах (NPQC), Исследовательским центром энергетических границ, возглавляемым лабораторией Беркли и финансируемым Управлением науки Министерства энергетики США.

NPQC объединяет ученых из Аргоннской национальной лаборатории, лаборатории Беркли, Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Колумбийского университета для изучения того, как квантовая когерентность лежит в основе непредвиденных явлений в новых материалах, таких как трехслойный графен, с целью нацеливания на применение в квантовой информационной науке и технике.

Исследователи из Нанкинского университета и Шанхайского университета Цзяо Тонг, Китай; Университет Сеула, Корея; и Национальный институт материаловедения, Япония, также внесли свой вклад в исследование.

Источник: https://www.lbl.gov

Source link