MIT מאשרת מוליכות-על לא קונבנציונלית ב-MATTG

מוליכות-על מתרחשת כאשר אלקטרונים מתחברים יחד, במקום להתפזר זה מזה כפי שקורה במוליכים רגילים או בחומרים יומיומיים. אלקטרונים מזווגים אלה נקראים "זוגות קופר", מה שיוצר זרימה מושלמת וללא התנגדות של זרם.

הנכס המדהים הזה is שנצפה במוליכי-על כאשר הם מקוררים מתחת ל"טמפרטורה קריטית" מסוימת. בנוסף לאפשרות לזרם לזרום ללא הגבלת זמן ללא אובדן אנרגיה, חומרים אלה גם פולטים שדות מגנטיים, מה שמאפשר להם לרחף.

בעוד שמוליכי-על קונבנציונליים, כמו אלה העשויים מאלומיניום, דורשים טמפרטורות נמוכות מאוד, חוקרים מפתחים באופן פעיל חומרים שיכולים להולכת-על ברמות גבוהות יותר, טמפרטורות מעשיות יותר, צעד שיכול לחולל מהפכה בטכנולוגיות אנרגיה וטכנולוגיות קוונטיות.

חוקרים ב-MIT השיגו כעת פריצת דרך זו. הם הבחינו בפער אנרגיה מובהק בצורת V, אשר מצביע על מוליכות-על לא קונבנציונלית בגרפן בעל זווית קסומה, המסמנת התקדמות חשובה לעבר מוליכי-על בטמפרטורת החדר.

גרפן בזווית קסומה ו'טוויסטרוניקס': כיצד סיבוב שכבות משנה את הפיזיקה

מאז גילוי הגרפן "זווית הקסומה", הוא יצר הרבה באזז בעולם המדעי, כאשר חוקרים חשפו תופעות קוונטיות אקזוטיות רבות, החל ממצבי בידוד מתואמים ומוליכות-על לא קונבנציונלית ועד מגנטיות ניתנת לכוונון ופאזות טופולוגיות.

בשנת 2018, צוות פיזיקאים ב-MIT, בראשות פבלו ג'רילו-הררו, יצר וצפה לראשונה בהשפעות של גרפן מסוג זווית קסם.

הם זיהו תכונות אלקטרוניות יוצאות דופן, כמו מוליכות-על, כאשר שתי שכבות גרפן מוערמים בזווית מאוד ספציפית. מבנה מעוות זה ידוע כגרפן דו-שכבתי מעוות בעל זווית קסומה, או MATBG.

גרפן הוא שכבה אחת של פחמן, שעוביה אטום אחד בלבד ובעלת סריג בצורת חלת דבש. סידור אטומי הפחמן בתבנית משושה דומה לרשת עוף ומציג חוזק, עמידות ויכולת יוצאי דופן להוליך חום וחשמל.

גרפן דו-שכבתי, לעומת זאת, הוא ערימה של שתי שכבות שבהן שני הסריגים מכוונים בצורה מסוימת. 

In גרפן דו-שכבתי טהור, ג'ארילו-הררו וחבריו לצוות הבחינו בהתנהגות מבודד מוט (תופעה שבה חומר הופך למבודד עקב דחייה חזקה בין אלקטרונים, למרות שציפו שהוא יהיה מוליך) כאשר שתי השכבות היו מעוותים בזווית קסומה.

זֶה הוביל לפיתוח ה"טוויסטרוניקה", טכניקה חדשה ומבטיחה להתאמת התכונות האלקטרוניות של גרפן על ידי סיבוב שכבות סמוכות של החומר. 

השיטה שימש אז על ידי צוות חוקרים מ-MIT, אוניברסיטת הרווארד ו-NIMS ביפן כדי להפוך את השכבה הדו-שכבתית המפותלת למוליכה-על על ידי הפעלת שדה חשמלי.

עם הזמן, חוקרים רבים חקרו מבנים שונים של גרפן רב-שכבתיים, אשר הראו סימנים של מוליכות-על לא קונבנציונלית.

בשנת 2021, פיזיקאים מהרווארד הצליחו לערום שלוש שכבות של גרפן ולסובב אותן בזווית הקסומה כדי... לייצר מערכת תלת-שכבתית המציגה מוליכות-על חזקה¹ בטמפרטורות גבוהות יותר מאשר מערכות גרפן רבות בעלות ערימה כפולה. רגישות לשדה חשמלי המופעל מבחוץ, זה גם איפשר לצוות לכוונן את מוליכות העל על ידי התאמת עוצמת השדה.

ניסוי זה עזר למדענים להבין כי מוליכות העל של מבנה התלת-שכבתי נובעת מאינטראקציות חזקות בין אלקטרונים, שהופכות אותו לעמיד יותר לטמפרטורות גבוהות יותר. 

באותה שנה, חוקרים מאוניברסיטת פרינסטון דיווח על דמיון מוזר² בין מוליכות העל של גרפן קסום לבין זו של מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה.

באמצעות מיקרוסקופ מנהור סורק (STM), הם גילו שלאלקטרונים מזווגים יש תנע זוויתי סופי. השני עסק באופן שבו התנהגותו של חומר מוליך-על משתנה כאשר מצב המוליך-על מרוכך על ידי העלאת הטמפרטורה או הפעלת שדה מגנטי. בעוד שאלקטרונים מתנתקים במוליכי-על קונבנציונליים, במוליכי-על לא שגרתיים ישנה קורלציה מסוימת עדיין נשמר.

MIT יוצר נתיב למוליכי-על בטמפרטורת החדר

יכולתם של מוליכי-על להוליך חשמל ללא התנגדות הופכת אותם למפתח לטכנולוגיות כמו סורקי MRI, העברת ואחסון חשמל, מחשוב מתקדם ומאיצי חלקיקים.

אבל מוליכי-על קונבנציונליים פועלים רק בטמפרטורות נמוכות מאוד. לכן, יש לאחסן אותם במערכות קירור ייעודיות כדי לעזור להם לשמור על מצב המוליך-על שלהם.

אם חומרים אלה יוכלו להוליך על בטמפרטורות גבוהות ונגישות יותר, הם יוכלו להגדיר מחדש מערכות טכנולוגיות ברחבי העולם. במטרה זו, מדענים ב-MIT חוקרים מוליכי על לא קונבנציונליים. אשר חורגים מהתנהגות מסורתית.

לאחרונה, פיזיקאים של MIT הבחינו בתופעה זו בגרפן תלת-שכבתי מעוות "בזווית קסומה" (MATTG), וסיפקו אישור ישיר לכך MATTG יכול לארח מוליכות-על לא קונבנציונלית³.

כפי שציין ג'ונג מין פארק, המחבר הראשי של המחקר, במוליכי-על קונבנציונליים, האלקטרונים ב'זוגות קופר' רחוקים מאוד זה מזה, וקשורים בצורה חלשה, בניגוד לגרפן בעל זווית קסם, שם "כבר יכולנו לראות חתימות לכך שהזוגות הללו קשורים בחוזקה, כמעט כמו מולקולה. היו רמזים לכך שיש משהו שונה מאוד בחומר הזה."

בעוד שמחקרים קודמים סיפקו רמזים, הם לא אושרו במדויק. כפי שציין המחקר, הבנת טבעה של מוליכות-העל בגרפן בעל זווית קסם הייתה מאתגרת, כאשר הקושי העיקרי היה להבחין בפער המוליך-העל. 

צוות MIT, לעומת זאת, הצליח למדוד את פער המוליך-על של MATTG, וחשף את עוצמת מצב המוליך-על שלו בטמפרטורות שונות. מה שהם מצאו היה פער ב-MATTG שהיה שונה לחלוטין מזה שבמוליכי-על קונבנציונליים, דבר המצביע על כך שהפיכתו של MATTG למוליך-על תלויה במנגנון יוצא דופן.
החלק כדי לגלול →

כפי שציין שוון סאן, סטודנט לתואר שני במחלקה לפיזיקה של MIT, אחד המחברים הראשיים של המחקר, אין מנגנון אחד אלא מנגנון רבים שיכולים להוביל למוליכות-על בחומרים, ופער המוליך-על הוא זה שמספק רמז לגבי איזה מנגנון מסוים מוביל למוליכי-על בטמפרטורת החדר לחולל מהפכה באנרגיה ובטכנולוגיה.

"כאשר חומר הופך למוליך-על, אלקטרונים נעים יחד כזוגות ולא בנפרד, ויש פער אנרגיה המשקף את האופן שבו הם קשורים. הצורה והסימטריה של פער זה מספרות לנו את טבעה הבסיסי של מוליכות-העל."

– פארק

כדי להוכיח את גילוי מנגנון לא שגרתי, הצוות השתמש במערכת ניסויית חדשנית המאפשרת להם לצפות ישירות כיצד נוצר פער מוליך-על בחומרים דו-ממדיים (2D). 

לשם כך, החוקרים השתמשו בספקטרוסקופיית מנהור. בטכניקה קוונטית זו, אלקטרונים פועלים גם כגלים וגם כחלקיקים, מה שמאפשר להם "לעבור מנהור" דרך מחסומים שבדרך כלל היו עוצרים אותם. על ידי לימוד הקלות שבה אלקטרונים יכולים לעבור מנהור דרך חומר, החוקרים לומדים עד כמה חזק הם... קשורים בתוך זה.

במקרה זה, הצוות חפר אלקטרונים בין שתי שכבות של MATTG כדי למדוד את מצב המוליך-על שלו.

עם זאת, שיטה זו לבדה לא תמיד מוכיחה את מוליכות העל של חומר, מה שהופך את המדידה הישירה לחיונית אך מאתגרת. לכן, הצוות שילב ספקטרוסקופיית מנהור עם מדידות של הולכת חשמל, אשר עוקבות אחר האופן שבו זרם עובר דרך חומר תוך ניטור ההתנגדות שלו.

הצוות השתמש בגישה זו ב-MATTG וזיהה בבירור את פער המנהור המוליך-על, שהופיע רק כאשר החומר הגיע להתנגדות אפס.

עם שינוי הטמפרטורה והשדה המגנטי, פער זה הציג עקומה חדה בצורת V במקום התבנית החלקה והשטוחה הנראית בדרך כלל במוליכי-על קונבנציונליים. על פי המחקר, פער המוליך-על הייחודי בעל אנרגיה נמוכה נעלם בטמפרטורה הקריטית ובשדה המגנטי של מוליך-על.

הצורה הייחודית מצביעה על מנגנון חדש העומד בבסיס מוליכות-העל של MATTG, אשר, למרות שאינו ידוע, מבהיר כי החומר מתנהג בצורה שונה מכל מוליך-על קונבנציונלי.

ברוב מוליכי העל, אלקטרונים מתאחדים עקב ויברציות בסריג האטומי שמסביב, אשר דוחפות אותם זה לזה. אבל ב-MATTG, אומר פארק, הזיווג יכול לנבוע מאינטראקציות אלקטרוניות חזקות, שמשמעותן "האלקטרונים עצמם עוזרים זה לזה להתאחד, ויוצרים מצב מוליך-על עם סימטריה מיוחדת".

הטכניקה שאפשרה לצוות לצפות ישירות בפער המוליך-על, השילוב של ספקטרוסקופיית מנהור ומדידות הובלה, תשמש כעת לחקר חומרים מפותלים ושכבתיים שונים.

עם ההגדרה שאפשרה לצוות "לזהות ולחקור את המבנים האלקטרוניים הבסיסיים של מוליכות-על ופאזות קוונטיות אחרות בזמן שהם מתרחשים, בתוך אותה דגימה", ציין פארק כי "מבט ישיר זה יכול לחשוף כיצד אלקטרונים מתחרים בזווג ומתחרים עם מצבים אחרים, ולסלול את הדרך לתכנון ובקרה של מוליכי-על וחומרים קוונטיים חדשים שיוכלו יום אחד להניע טכנולוגיות יעילות יותר או מחשבים קוונטיים".

הם גם ישתמשו במערך הניסויי כדי לחקור MATTG וכן חומרים דו-ממדיים אחרים ביתר פירוט כדי למצוא מועמדים חדשים ומבטיחים לטכנולוגיות מתקדמות.

"הבנה טובה מאוד של מוליך-על לא קונבנציונלי אחד עשויה לעודד את הבנתנו את השאר", אמרה המחברת הבכירה של המחקר, ג'ארילו-הררו, שהיא פרופסור לפיזיקה על שם ססיל ואידה גרין ב-MIT. "הבנה זו עשויה להנחות את תכנון מוליכי-על הפועלים בטמפרטורת החדר, למשל, שהיא מעין הגביע הקדוש של התחום כולו."

תפקידה של גיאומטריה קוונטית ביצירת אלקטרונים על-נוזליים

בעוד שהתגלית האחרונה של MIT בגרפן תלת-שכבתי בעל זווית קסומה מסמנת קפיצה משמעותית לקראת הבנת מוליכות-על לא קונבנציונלית, מחקרים משלימים גם מסייעים למלא פרטים מרכזיים, כגון כמה בקלות זוגות אלקטרונים זורמים דרך חומרים אלה.

ידוע שאלקטרונים בחומרים מוליכי-על נעים ללא חיכוך, אך הקלות שבה זוגות אלקטרונים יכולים לזרום תלויה בגורמים כמו צפיפותם. המונח "קשיחות נוזלית-על" מתאר עד כמה מערכת מוליכה-על עמידה לשינויים בזרימת זוגות האלקטרונים שלה, מה שהופך אותה למדד מפתח למוליכות-על.

מוקדם יותר השנה, פיזיקאים ב-MIT ובאוניברסיטת הרווארד ישירות מדד את קשיחות העל-נוזל בגרפן בעל זווית קסם⁴ כדי להבין טוב יותר כיצד החומר מוליך-על. 

במחקר זה, המטרה הייתה לזהות את המנגנון האחראי למוליכות-על בגרפן בעל זווית קסם, אשר נקבע בעיקר על ידי גיאומטריה קוונטית, או ה"צורה" הקונספטואלית של מצבים קוונטיים בחומר.

כעת, כדי למדוד ישירות את קשיחות הנוזל-על, הצוות פיתח טכניקה ניסיונית חדשה שיכולה גם לשמש לבצע מדידות דומות של חומרים מוליכי-על דו-ממדיים אחרים, אשר "יש משפחה שלמה... שמחכה להיבדק".

בחומרים כמו MATBG, זיווג האלקטרונים, המכונים זוגות קופר, יכול ליצור נוזל-על, כלומר הם יכולים לנוע דרך חומר כזרם ללא מאמץ. אבל למרות שאין להם התנגדות, עדיין צריך להפעיל דחיפה מסוימת בצורת שדה חשמלי כדי להניע את הזרם.

"קשיחות סופר-נוזלית מתייחסת לכמה קל לגרום לחלקיקים אלה לנוע, על מנת להניע מוליכות-על."

– ג'ואל וואנג, מחבר שותף ראשי של המחקר, מדען מחקר במעבדת המחקר לאלקטרוניקה של MIT (RLE))

קשיחות נוזלית-על זו נמדדת בדרך כלל באמצעות שיטות הממקמות את החומר המוליך-על בתוך מהוד מיקרוגל, מכשיר המהדהד בתדרי מיקרוגל. במהוד מיקרוגל, החומר משנה הן את תדר התהודה והן את ההשראות הקינטית ביחס לקשיחות נוזלית-על שלו.

אבל טכניקות אלו היו תואמות לדגימות גדולות ועבות פי 10 עד 100 בלבד מ-MATBG, מה שאומר שנדרשת גישה חדשה למדידת קשיחות נוזל-על במוליכי-על דקים מבחינה אטומית.

כעת, האתגר לעשות זאת עם חומר עדין במיוחד כמו MATBG הוא לחבר אותו לפני השטח של מהוד המיקרוגל מבלי לשבש את החלקות שלו. זֶה פירושו, יצירת "מגע אידיאלי ללא אובדן - כלומר, מוליך-על - בין שני החומרים", אחרת אות המיקרוגל הנשלח ייפגע או פשוט יחזור בחזרה.

אז, הצוות הרכיב תחילה את MATBG באמצעות טכניקות ייצור סטנדרטיות ולאחר מכן סגר אותו בין שתי יריעות מבודדות של בורון ניטריד משושה כדי לשמר את המבנה האטומי העדין שלו ואת תכונותיו הפנימיות.

המהוד היה עשוי בעיקר מאלומיניום, עם כמות קטנה של MATBG שנוספה לקצה. כדי ליצור קשר עם ה-MATBG, הצוות חרט אותו בחדות רבה, וחשף צד של ה-MATBG החתוך לאחרונה, שאליו אלומיניום... הופקד "ליצור מגע טוב וליצור עופרת אלומיניום", אשר היה מחובר לרזונטור המיקרוגל הגדול יותר מאלומיניום. 

הצוות שלח אות מיקרוגל דרך המהוד הזה, מדד את השינוי שנוצר בתדר התהודה שלו, והסיק את ההשראות הקינטית של MATBG. לאחר המרת ההשראות הנמדדת לערך של קשיחות נוזל-על, הצוות גילה שהיא גדולה בהרבה ממה שתיאוריות מוליכות-על קונבנציונליות היו חוזות.

"ראינו עלייה פי עשרה בקשיחות של נוזלים-על בהשוואה לציפיות המקובלות, עם תלות בטמפרטורה התואמת את מה שתיאוריית הגיאומטריה הקוונטית צופה,", אמרה המחברת הראשית-שותפה מיוקו טנאקה."זה היה "אקדח מעשן" שהצביע על תפקידה של הגיאומטריה הקוונטית בשליטה על קשיחות נוזלים-על בחומר דו-ממדי זה."

השקעה בטכנולוגיית מוליכות-על

תאגיד מוליכים-על אמריקאי (AMSC ) היא חברת טכנולוגיות אנרגיה המייצרת מערכות מוליכי-על מתקדמות. היא מתמקדת במסחור טכנולוגיות מוליכות-על קיימות ויישומן ברשתות חשמל אמיתיות וביישומים ימיים.

AMSC היא ספקית מובילה של פתרונות חוסן חשמל בקנה מידה של מגה-וואט, כולל Gridtec, Marinetec ו-Windtec. 

באמצעות פתרונות אלה, החברה מספקת מערכות רשת מתקדמות למיטוב ביצועי הרשת, היעילות והאמינות, פתרונות הנעה וניהול צריכת חשמל לשיפור איכות החשמל ובטיחות התפעול, ובקרות ומערכות אלקטרוניות לטורבינות רוח.