Автор AZoNano 5 февраля 2021

Прорывное открытие графена изменило мир физики в 2018 году. Ученые обнаружили что когда Ультратонкий углеродный слой, известный как графен, сложен вместе и скручен под «магическим углом», эта новая двухслойная структура превращается в сверхпроводник, позволяя электричеству течь без потерь энергии или какого-либо сопротивления.

В буквальном смысле слова исследователи Гарвардского университета подняли эту сверхпроводящую систему на совершенно новый уровень, добавив третий слой и повернув его, открыв путь для дальнейшего развития сверхпроводимости на основе графена.

Исследование подробно описано в новой статье, опубликованной в журнале Science и может, когда-нибудь, привести к разработке сверхпроводников, которые работают при более высоких температурах или даже близких к комнатным температурам.

Такие сверхпроводники считаются святым Граалем физики конденсированного состояния, потому что они позволят совершить огромные технологические революции в нескольких областях, таких как квантовые вычисления, транспорт и передача электроэнергии.

Сегодня большинство сверхпроводников, таких как двухслойная структура графена, работают только при очень низких температурах.

Сверхпроводимость в скрученном графене предоставляет физикам экспериментально управляемую и теоретически доступную модельную систему, где они могут играть со свойствами системы, чтобы расшифровать секреты высокотемпературной сверхпроводимости .

Эндрю Циммерман, со-ведущие авторы исследования и научный сотрудник, получивший докторскую степень, Гарвардский университет

Циммерман работает в лаборатории Филипа Кима, физика из Гарвардского университета.

Графен – слой атомов углерода толщиной в один атом – в 200 раз прочнее, чем сталь, но при этом он чрезвычайно легкий и гибкий, чем бумага. Графен почти всегда считался отличным проводником электрического тока и тепла, но с ним также трудно обращаться.

Ряд экспериментов, раскрывающих тайну скрученного двухслойного графена, продолжается с тех пор, как физик из Массачусетского технологического института Пабло Харилло-Эрреро и его команда в начале 2018 года основали развивающуюся область «твистроники» в своем эксперименте, в ходе которого они создали графеновый сверхпроводник сложив и повернув их под магическим углом 1,1 градуса.

Сделав шаг вперед, команда из Гарвардского университета фактически сложила три листа графена и впоследствии скрутила каждый из этих листов под этим магическим углом, чтобы создать трехслойную структуру, которая не только обеспечивает сверхпроводимость, но и делает это более мощно и эффективно. при более высоких температурах, чем у большинства двухслойных графенов.

Помимо этого, новая усовершенствованная система чувствительна к приложенному извне электрическому полю, что позволяет исследователям регулировать степень сверхпроводимости, настраивая силу этого электрического поля.

Это позволило нам наблюдать сверхпроводник в новом измерении и дало важные подсказки о механизме, управляющем сверхпроводимостью .

Зею Хао, со-ведущий автор исследования и аспирант, Высшая школа искусств и наук Гарвардского университета

Хао также работает в Kim Group.

Теоретики были действительно взволнованы одним из этих механизмов. Трехслойная система продемонстрировала доказательство того, что ее сверхпроводимость является результатом сильных взаимодействий между электронами в отличие от слабых. Если это окажется правдой, это не только проложит путь к высокотемпературной сверхпроводимости, но также приведет к потенциальным приложениям в области квантовых вычислений.

В большинстве обычных сверхпроводников электроны движутся с высокой скоростью, а иногда пересекаются и влияют друг на друга. В этом случае мы говорим, что их эффекты взаимодействия слабые.

Эслам Халаф, соавтор исследования и научный сотрудник, Гарвардский университет

Халаф работает в лаборатории Эшвина Вишваната, профессора физики Гарвардского университета.

« В то время как слабо взаимодействующие сверхпроводники хрупки и теряют сверхпроводимость при нагревании до нескольких градусов Кельвина, сверхпроводники с сильной связью гораздо более эластичны, но гораздо менее изучены. Реализация сверхпроводимости с сильной связью в простой и настраиваемой системе, такой как трехслойная, может проложить путь к окончательному теоретическому пониманию сильносвязанных сверхпроводников, чтобы помочь реализовать цель создания высокотемпературного, возможно даже комнатного, сверхпроводника »

Теперь команда планирует продолжить изучение природы этой уникальной сверхпроводимости в дополнительных исследованиях.

« Чем больше мы поймем, тем больше у нас будет шансов повысить температуры сверхпроводящего перехода », – заключил Ким.

Ссылка на журнал:

Hao, Z., и др. . (2021) Сверхпроводимость, регулируемая электрическим полем, в трехслойном графене с переменным закручиванием под магическим углом. Наука . doi.org/10.1126/science.abg0399.

Источник: https://www.harvard.edu/[19459008visible