MIT vahvistaa epätavanomaisen suprajohtavuuden MATTG:ssä

Suprajohtavuus tapahtuu, kun elektronit pariutuvat sen sijaan, että ne sirottaisivat erilleen, kuten ne tapahtuvat normaaleissa johtimissa tai jokapäiväisissä materiaaleissa. Näitä elektroniparien muodostamia elektroneja kutsutaan "Cooper-pareiksi", jotka luovat täydellisen, vastuksettoman virrankulun.

Tämä merkittävä kiinteistö is Havaittu suprajohteissa, kun ne ovat jäähdytettyinä tietyn "kriittisen lämpötilan" alapuolella. Sen lisäksi, että nämä materiaalit mahdollistavat virran virtaamisen loputtomiin ilman energiahäviötä, ne myös lähettävät magneettikenttiä, mikä mahdollistaa niiden leijumisen.

Vaikka perinteiset suprajohteet, kuten alumiinista valmistetut, vaativat erittäin matalia lämpötiloja, tutkijat kehittävät aktiivisesti materiaaleja, jotka voivat suprajohtaa korkeammilla lämpötiloilla, käytännöllisempiä lämpötiloja, askel, joka voisi mullistaa energia- ja kvanttiteknologiat.

MIT:n tutkijat ovat nyt saavuttaneet tämän läpimurron. He ovat havainneet erottuvan V-muotoisen energiaraon, mikä viittaa epätavanomainen suprajohtavuus taikakulmagrafeenissa, mikä merkitsee tärkeää edistysaskelta kohti huoneenlämpötilan suprajohteita.

Maaginen kulmagrafeeni ja 'twistronics': Kuinka kerroksen kierto muuttaa fysiikkaa

"Maagisen kulman" grafeenin löytämisestä lähtien se on herättänyt paljon kohua tiedemaailmassa, ja tutkijat ovat paljastaneet lukemattomia eksoottisia kvantti-ilmiöitä aina korreloivista eristävistä tiloista ja epätavanomaisesta suprajohtavuudesta viritettävään magnetismiin ja topologisiin faaseihin.

Vuonna 2018 MIT:n fyysikkojen ryhmä, jota johti Pablo Jarillo-Herrero, loi ensimmäisen kerran taikakulmagrafeenin ja havaitsi sen vaikutuksia.

He havaitsivat epätavallisia elektronisia ominaisuuksia, kuten suprajohtavuutta, kun kaksi grafeenikerrosta ovat pinottuja hyvin tietyssä kulmassa. Tätä kiertynyttä rakennetta kutsutaan taikakulmakierteiseksi kaksikerroksiseksi grafeeniksi eli MATBG:ksi.

Grafeeni on yksittäinen hiilikerros, joka on vain yhden atomin paksuinen ja jolla on hunajakennomainen hila. Hiiliatomien järjestys kuusikulmaisessa kuviossa muistuttaa kanaverkkoa ja on erittäin luja, kestävä sekä johtaa hyvin lämpöä ja sähköä.

Kaksikerroksinen grafeeni puolestaan ​​on kahden kerroksen pino, jossa kaksi hilaa ovat suuntautuneita tietyllä tavalla. 

In koskematon kaksikerroksinen grafeeniJarillo-Herrero ja hänen tiimitoverinsa havaitsivat Mott-eristeen käyttäytymisen (ilmiö, jossa materiaalista tulee eriste voimakkaan elektronien välisen hylkimisen vuoksi, vaikka sen odotetaan olevan johdin), kun kaksi kerrosta olivat vääntyneet maagisessa kulmassa.

Tämä johti "twistronicsin" kehittämiseen, joka on lupaava uusi tekniikka grafeenin elektronisten ominaisuuksien säätämiseksi kiertämällä materiaalin vierekkäisiä kerroksia. 

Menetelmä sitten käytettiin MIT:n, Harvardin yliopiston ja japanilaisen NIMS:n tutkijaryhmä teki kierretystä kaksikerroksisesta suprajohtavasta materiaalista sähkökentän avulla.

Ajan myötä monet tutkijat tutkivat erilaisia ​​monikerroksisia grafeenirakenteita, jotka osoittivat merkkejä epätavallisesta suprajohtavuudesta.

Vuonna 2021 Harvardin fyysikot onnistuivat pinoamaan kolme grafeenikerrosta ja kiertämään niitä taianomaisessa kulmassa tuottaa kolmikerroksisen järjestelmän, jolla on vankka suprajohtavuus¹ korkeammissa lämpötiloissa kuin monet kaksinkertaiset grafeenijärjestelmät. Koska se on herkkä ulkoisesti vaikuttavalle sähkökentälle, se myös antoi tiimille mahdollisuuden säätää suprajohtavuutta säätämällä kentän voimakkuutta.

Tämä koe auttoi tiedemiehiä ymmärtämään, että kolmikerroksisen rakenteen suprajohtavuus johtuu voimakkaista elektroni-elektroni-vuorovaikutuksista, jotka tekevät siitä kestävämmän korkeammille lämpötiloille. 

Samana vuonna Princetonin tutkijat raportoi omituisesta samankaltaisuudesta² magic grafeenin suprajohtavuuden ja korkean lämpötilan suprajohteiden välillä.

Pyyhkäisytunnelointimikroskooppia (STM) käyttäen he havaitsivat, että paritettujen elektronien pyörimismäärä on rajallinen. Toinen tutkimus koski suprajohtavan materiaalin käyttäytymistä, kun Suprajohtava tila sammutetaan nostamalla lämpötilaa tai käyttämällä magneettikenttää. Vaikka elektronit purkautuvat pareiksi tavanomaisissa suprajohteissa, epätavanomaisissa suprajohteissa on jonkin verran korrelaatiota on edelleen säilynyt.

MIT luo polun huoneenlämmössä toimiviin suprajohteisiin

Suprajohteiden kyky johtaa sähköä ilman resistanssia tekee niistä avainasemassa teknologioissa, kuten MRI-skannereissa, sähkönsiirrossa ja -varastoinnissa, edistyneessä laskennassa ja hiukkaskiihdyttimissä.

Mutta perinteiset suprajohteet toimivat vain erittäin kylmissä lämpötiloissa. Siksi ne on pidettävä erityisissä jäähdytysjärjestelmissä, jotta ne säilyttävät suprajohtavan tilansa.

Jos nämä materiaalit kykenisivät suprajohtaviksi korkeammissa, helpommin saavutettavissa lämpötiloissa, ne voisivat määritellä teknologiset järjestelmät uudelleen maailmanlaajuisesti. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi MIT:n tutkijat tutkivat epätavanomaisia ​​suprajohteita. jotka poikkeavat perinteisestä toimintatavasta.

Äskettäin MIT:n fyysikot havaitsivat tämän ilmiön "maagisen kulman" kierretyssä kolmikerroksisessa grafeenissa (MATTG), mikä vahvisti suoraan, että MATTG voi isännöidä epätavanomaista suprajohtavuutta³.

Kuten tutkimuksen toinen pääkirjoittaja Jeong Min Park totesi, perinteisissä suprajohteissa Cooper-parien elektronit ovat hyvin kaukana toisistaan ​​ja heikosti sitoutuneita, toisin kuin taikakulmagrafeenissa, jossa ”näimme jo merkkejä siitä, että nämä parit ovat hyvin tiukasti sitoutuneita, melkein kuin molekyyli. Oli vihjeitä siitä, että tässä materiaalissa oli jotain hyvin erilaista.”

Vaikka aiemmat tutkimukset antoivat vihjeitä, niitä ei ole vahvistettu tarkasti. Kuten tutkimuksessa todettiin, suprajohtavuuden luonteen ymmärtäminen taikakulmagrafeenissa on ollut haastavaa, ja suurin vaikeus on suprajohtavan aukon havaitseminen. 

MIT-tiimi kuitenkin mittasi onnistuneesti MATTG:n suprajohtavan aukon, mikä paljasti sen suprajohtavan tilan voimakkuuden eri lämpötiloissa. He löysivät MATTG:stä täysin erilaisen aukon kuin perinteisissä suprajohteissa, mikä viittaa siihen, että MATTG:n suprajohtavaksi tuleminen riippuu epätavallisesta mekanismista.
Pyyhkäise vierittääksesi →

Kuten tutkimuksen toinen pääkirjoittaja, MIT:n fysiikan laitoksen jatko-opiskelija Shuwen Sun, totesi, ei ole olemassa yhtä, vaan monia eri mekanismeja, jotka voivat johtaa materiaalien suprajohtavuuteen, ja juuri suprajohtava rako antaa vihjeen siitä, mikä tietty mekanismi johtaa huoneenlämmössä toimiviin suprajohteisiin, jotka mullistavat energian ja teknologian.

”Kun materiaalista tulee suprajohtavaa, elektronit liikkuvat yhdessä pareittain yksittäisten sijaan, ja niiden välille syntyy energiarako, joka heijastaa niiden sitoutumista. Tämän raon muoto ja symmetria kertovat meille suprajohtavuuden taustalla olevan luonteen.”

– Puisto

Todistaakseen epätavanomaisen mekanismin löydöksensä tiimi käytti uudenlaista kokeellista järjestelmää, jonka avulla he voivat suoraan havaita, miten suprajohtava rako muodostuu kaksiulotteisissa (2D) materiaaleissa. 

Tätä varten tutkijat käyttivät tunnelointispektroskopiaa. Tässä kvanttimittakaavan tekniikassa elektronit toimivat sekä aaltoina että hiukkasina, jolloin ne voivat "tunneloida" esteiden läpi, jotka normaalisti pysäyttäisivät ne. Tutkimalla, kuinka helposti elektronit voivat tunneloida materiaalin läpi, tutkijat oppivat, kuinka voimakkaasti ne toimivat. ovat sidottuja sen sisällä.

Tässä tapauksessa tiimi tunneloi elektroneja kahden MATTG-kerroksen väliin mitatakseen sen suprajohtavan tilan.

Pelkkä tämä menetelmä ei kuitenkaan aina todista materiaalin suprajohtavuutta, joten suora mittaaminen on ratkaisevan tärkeää mutta haastavaa. Niinpä tiimi yhdisti tunnelointispektroskopian sähköisen kuljetuksen mittauksiin, joissa seurataan virran kulkua materiaalin läpi samalla kun seurataan sen vastusta.

Tiimi käytti tätä lähestymistapaa MATTG:ssä ja tunnisti selvästi suprajohtavan tunnelointiaukon, joka ilmestyi vasta, kun materiaali saavutti nollaresistanssin.

Lämpötilan ja magneettikentän muuttuessa tämä rako osoitti terävän V-muotoisen käyrän perinteisissä suprajohteissa tavallisesti havaitun tasaisen, litteän kuvion sijaan. Tutkimuksen mukaan ainutlaatuinen matalaenerginen suprajohtava rako häviää suprajohtavan kriittisen lämpötilan ja magneettikentän kohdalla.

Erityinen muoto viittaa MATTG:n suprajohtavuuden taustalla olevaan uuteen mekanismiin, joka on tuntematon, mutta tekee selväksi, että materiaali käyttäytyy eri tavalla kuin mikään perinteinen suprajohde.

Useimmissa suprajohteissa elektronit pariutuvat ympäröivän atomihilan värähtelyjen vuoksi, jotka työntävät niitä yhteen. Mutta Parkin mukaan MATTG:ssä pariutuminen voi johtua voimakkaista sähköisistä vuorovaikutuksista, mikä tarkoittaa, että "elektronit itse auttavat toisiaan pariutumaan muodostaen suprajohtavan tilan, jolla on erityinen symmetria".

Tekniikkaa, jonka avulla tiimi pystyi suoraan havaitsemaan suprajohtavan aukon, tunnelointispektroskopian ja kuljetusmittausten yhdistelmää, käytetään nyt erilaisten kierrettyjen ja kerrostettujen materiaalien tutkimiseen.

Koska laitteisto mahdollisti tiimille "tunnistaa ja tutkia suprajohtavuuden ja muiden kvanttifaasien taustalla olevia elektronisia rakenteita niiden tapahtuessa samassa näytteessä", Park totesi, että "tämä suora näkymä voi paljastaa, miten elektronit parittuvat ja kilpailevat muiden tilojen kanssa, mikä tasoittaa tietä uusien suprajohteiden ja kvanttimateriaalien suunnittelulle ja hallinnalle, jotka voisivat jonain päivänä käyttää tehokkaampia teknologioita tai kvanttitietokoneita."

He käyttävät myös kokeellista laitteistoa tutkiakseen MATTG:tä sekä muita 2D-materiaaleja tarkemmin löytääkseen uusia, lupaavia ehdokkaita edistyneille teknologioille.

”Yhden epätavanomaisen suprajohteen hyvä ymmärtäminen voi auttaa meitä ymmärtämään muitakin”, sanoo tutkimuksen vanhempi kirjoittaja, Jarillo-Herrero, joka on Cecil ja Ida Greenin nimeämä fysiikan professori MIT:ssä. ”Tämä ymmärrys voi ohjata esimerkiksi huoneenlämmössä toimivien suprajohteiden suunnittelua, mikä on eräänlainen koko alan Graalin malja.”

Kvanttigeometrian rooli elektronien supernestemäisyyden edistämisessä

Vaikka MIT:n uusin löytö taikakulmakolmikerroksisessa grafeenissa on merkittävä harppaus kohti epätavanomaisen suprajohtavuuden ymmärtämistä, täydentävät tutkimukset auttavat myös täyttämään keskeisiä yksityiskohtia, kuten kuinka helposti elektroniparit virtaavat näiden materiaalien läpi.

On tunnettua, että elektronit suprajohtavissa materiaaleissa liikkuvat ilman kitkaa, mutta elektroniparien virtausnopeus riippuu esimerkiksi niiden tiheydestä. Termi "supranestejäykkyys" kuvaa sitä, kuinka vastustuskykyinen suprajohtava järjestelmä on elektronipariensa virtauksen muutoksille, mikä tekee siitä suprajohtavuuden keskeisen indikaattorin.

Aiemmin tänä vuonna MIT:n ja Harvardin yliopiston fyysikot suoraan mittasi supranestejäykkyyden taikakulmagrafeenissa⁴ ymmärtää paremmin, miten materiaali suprajohtaa. 

Tämän tutkimuksen tavoitteena on ollut tunnistaa mekanismi, joka vastaa suprajohtavuudesta taikakulmagrafeenissa, joka määräytyy pääasiassa kvanttigeometrian eli materiaalin kvanttitilojen käsitteellisen "muodon" perusteella.

Nyt, supranestejäykkyyden suoraa mittaamista varten, tiimi kehitti uuden kokeellisen tekniikan, joka voi myös olla käytetty tehdä vastaavia mittauksia muista 2D-suprajohtavista materiaaleista, joita "on olemassa kokonainen perhe... odottamassa tutkimista".

MATBG:n kaltaisissa materiaaleissa elektronien pariutuminen eli Cooperin parit voivat muodostaa supranesteen, mikä tarkoittaa, että ne voivat liikkua materiaalin läpi vaivattomasti virtana. Mutta vaikka niillä ei ole vastusta, virran liikkeelle saamiseksi tarvitaan silti jonkin verran työntövoimaa sähkökentän muodossa.

"Supranestejäykkyys viittaa siihen, kuinka helppoa on saada nämä hiukkaset liikkumaan suprajohtavuuden aikaansaamiseksi."

– Tutkimuksen toinen johtava kirjoittaja Joel Wang, tutkija MIT:n elektroniikan tutkimuslaboratoriossa (RLE)

Tätä supranestejäykkyyttä mitataan yleensä menetelmillä, joissa suprajohtava materiaali sijoitetaan mikroaaltoresonaattoriin, laitteeseen, joka resonoi mikroaaltotaajuuksilla. Mikroaaltoresonaattorissa materiaali muuttaa sekä resonanssitaajuutta että kineettistä induktanssia suhteessa sen supranestejäykkyyteen.

Mutta nämä tekniikat ovat olleet yhteensopivia näytteiden kanssa, jotka ovat vain 10–100 kertaa suurempia ja paksumpia kuin MATBG, mikä tarkoittaa, että tarvitaan uusi lähestymistapa supranestejäykkyyden mittaamiseen atomaarisesti ohuissa suprajohteissa.

Nyt haasteena tehdä se erittäin herkän materiaalin, kuten MATBG:n, kanssa on kiinnittää se mikroaaltoresonaattorin pintaan häiritsemättä sen sileyttä. Tämä tarkoittaa "ideaalitilanteessa häviöttömän – eli suprajohtavan – kontaktin muodostamista kahden materiaalin välille", tai lähetetty mikroaaltosignaali heikkenee tai vain heijastuu takaisin.

Niin, tiimi kokosi ensin MATBG:n käyttäen standardinmukaisia ​​valmistustekniikoita ja koteloi sen sitten kahden kuusikulmaisen boorinitridin eristävän levyn välissä sen herkän atomirakenteen ja luontaisten ominaisuuksien säilyttämiseksi.

Resonaattori oli pääosin alumiinia, ja sen päähän oli lisätty pieni määrä MATBG:tä. Saadakseen kosketuksen MATBG:hen tiimi syövytti sitä erittäin terävästi paljastaen juuri leikatun MATBG:n sivun, johon alumiini oli kiinnittynyt. talletettiin "muodostaa hyvä kontakti ja muodostaa alumiinijohdon", joka oli kytketty suurempaan alumiiniseen mikroaaltoresonaattoriin. 

Tutkimusryhmä lähetti mikroaaltosignaalin tämän resonaattorin läpi, mittasi siitä johtuvan muutoksen sen resonanssitaajuudessa ja päätteli MATBG:n kineettisen induktanssin. Muunnettaessa mitattu induktanssi supranestejäykkyyden arvoksi tutkimusryhmä havaitsi sen olevan paljon suurempi kuin mitä perinteiset suprajohtavuusteoriat olisivat ennustaneet.

"Näimme supranestejäykkyyden kymmenkertaisen kasvun tavanomaisiin odotuksiin verrattuna, ja lämpötilariippuvuus oli yhdenmukainen kvanttigeometrian teorian ennusteiden kanssa.”, sanoi tutkimuksen toinen kirjoittaja Miuko Tanaka.Tämä oli "savuava ase", joka viittasi kvanttigeometrian rooliin supranestejäykkyyden säätelyssä tässä kaksiulotteisessa materiaalissa."

Investoiminen suprajohtavaan teknologiaan

American Superconductor Corporation (AMSC ) on energiateknologiayritys, joka valmistaa edistyneitä suprajohdejärjestelmiä. Se keskittyy olemassa olevien suprajohtavien teknologioiden kaupallistamiseen ja niiden soveltamiseen reaalimaailman sähköverkko- ja merisovelluksissa.

AMSC on johtava megawattitason sähkönjakelun vikasietoratkaisujen toimittaja, johon kuuluvat Gridtec, Marinetec ja Windtec. 

Näiden ratkaisujen avulla yritys tarjoaa edistyneitä sähköverkkojärjestelmiä verkon suorituskyvyn, tehokkuuden ja luotettavuuden optimoimiseksi, propulsio- ja virranhallintaratkaisuja sähkön laadun ja käyttöturvallisuuden parantamiseksi sekä tuuliturbiinien elektronisia ohjaimia ja järjestelmiä.