Написано AZoNano 19 199 996 6 июля 2019

Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (лаборатория Беркли) разработали графеновое устройство, которое переключается со сверхпроводящего материала на изолятор и обратно на сверхпроводник – и все это с помощью переключателя. Команда поделилась, что устройство демонстрирует эту уникальную универсальность, будучи более тонким, чем человеческий волос.

Вид трехслойного устройства гетероструктуры графен / нитрид бора, видимый через оптический микроскоп. Золотые, нано-изготовленные электрические контакты показаны желтым цветом; подложка из диоксида кремния / кремния показана коричневым цветом и чешуйки нитрида бора

«Обычно, когда кто-то хочет изучить, как электроны взаимодействуют друг с другом в сверхпроводящей квантовой фазе по сравнению с изолирующей фазой, им нужно смотреть на разные материалы. С нашей системой вы можете изучать как фазу сверхпроводимости и изолирующая фаза в одном месте ", – сказал Гуоруй Чен, ведущий автор исследования и доктор наук в лаборатории Фэн Вана, который руководил исследованием. Ван, преподаватель кафедры материаловедения лаборатории Беркли, также является профессором физики Калифорнийского университета в Беркли.

Графеновое устройство состоит из трех 2D слоев графена. Находясь между 2D слоями нитрида бора, он образует повторяющийся узор, называемый муаровой сверхрешеткой. Материал может помочь другим ученым понять сложную механику явления, известного как высокотемпературная сверхпроводимость, когда материал может проводить электричество без сопротивления при температурах выше, чем ожидалось, хотя все еще на сотни градусов ниже нуля.

В предыдущем исследовании ученые сообщали о наблюдении свойств изолятора Мотта в устройстве, изготовленном из трехслойного графена. Изолятор Мотта – это класс материала, который каким-то образом прекращает проводить электричество на сотни градусов ниже нуля, несмотря на классическую теорию, предсказывающую электропроводность. Но долго считалось, что изолятор Мотта может стать сверхпроводящим, добавляя больше электронов или положительных зарядов, чтобы сделать его сверхпроводящим, объяснил Чен.

Другие исследователи уже обнаружили, что муаровые сверхрешетки, образованные графеном, демонстрируют экзотическую физику, такую ​​как сверхпроводимость, когда слои выровнены под прямым углом. «Итак, для этого исследования мы спросили себя:« Если наша трехслойная графеновая система является изолятором Мотта, может ли она быть также сверхпроводником? » сказал Чен.

Работая с Дэвидом Голдхабером-Гордоном из Стэнфордского университета и Стэнфордским институтом материаловедения и энергетических наук в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, и с Юаньбо Чжаном из Фуданского университета, исследователи использовали холодильник для разбавления, который может достигать очень низких температур до 40 милликельвинов. – или почти минус 460 градусов по Фаренгейту – чтобы охладить устройство графен / нитрид бора до температуры, при которой исследователи ожидали появления сверхпроводимости вблизи фазы изолятора Мотта, сказал Чен.

Как только прибор достиг температуры 4 кельвинов (минус 452 градуса по Фаренгейту), исследователи подали ряд электрических напряжений к крошечным верхним и нижним воротам устройства. Как и ожидалось, когда они прикладывали высокое вертикальное электрическое поле к верхним и нижним затворам, электрон заполнял каждую ячейку устройства графен / нитрид бора. Это заставило электроны стабилизироваться и остаться на месте, и эта «локализация» электронов превратила устройство в изолятор Мотта.

Затем они применили еще более высокое электрическое напряжение к воротам. К их удовольствию, второе чтение показало, что электроны больше не были стабильными. Вместо этого они ходили по кругу, переходили от клетки к клетке и проводили электричество без потерь или сопротивления. Другими словами, устройство переключилось с фазы изолятора Мотта на фазу сверхпроводника.

Чен объяснил, что сверхрешетка муара нитрида бора каким-то образом увеличивает электрон-электронное взаимодействие, которое происходит, когда на устройство подается электрическое напряжение, и этот эффект включает его сверхпроводящую фазу. Это также обратимо – когда к воротам подается более низкое электрическое напряжение, устройство возвращается в изоляционное состояние.

Устройство предлагает ученым уникальную платформу для изучения взаимодействия атомов и электронов в экзотических новых сверхпроводящих материалах с потенциальным использованием в квантовых компьютерах, а также новых изоляционных материалах Мотта, которые однажды могут сделать крошечные двухмерные транзисторы Мотта для микроэлектроники реальностью. .

«Этот результат был очень волнующим для нас. Мы никогда не предполагали, что устройство графен / нитрид бора будет так хорошо», – сказал Чен. «С ним можно изучать практически все, от отдельных частиц до сверхпроводимости. Это лучшая из известных мне систем для изучения новых видов физики», – сказал Чен.

Это исследование было поддержано Центром новых путей квантовой когерентности в материалах (NPQC), Исследовательским центром энергетических границ, возглавляемым лабораторией Беркли и финансируемым Министерством науки Министерства энергетики. NPQC объединяет исследователей из лаборатории Беркли, Аргоннской национальной лаборатории, Колумбийского университета и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, чтобы изучить, как квантовая когерентность лежит в основе неожиданных явлений в новых материалах, таких как трехслойный графен, с перспективой будущего использования в квантовой информационной науке и технике.

Источник: https://www.lbl.gov/