MIT potwierdza niekonwencjonalne nadprzewodnictwo w MATTG

Nadprzewodnictwo występuje, gdy elektrony łączą się w pary, a nie rozpraszają się, jak ma to miejsce w przypadku zwykłych przewodników lub materiałów codziennego użytku. Te sparowane elektrony nazywane są „parami Coopera”, co zapewnia idealny, bezoporowy przepływ prądu.

Ta niezwykła nieruchomość is zauważony w nadprzewodnikach, gdy są chłodzone poniżej określonej „temperatury krytycznej”. Oprócz tego, że pozwalają na nieograniczony przepływ prądu bez utraty energii, materiały te wydzielają również pola magnetyczne, co pozwala im lewitować.

Chociaż konwencjonalne nadprzewodniki, takie jak te wykonane z aluminium, wymagają bardzo niskich temperatur, naukowcy aktywnie pracują nad ich rozwojem materiały, które mogą nadprzewodzić przy wyższych temperaturach, bardziej praktyczne temperatury, krok, który może zrewolucjonizować technologie energetyczne i kwantowe.

Naukowcy z MIT dokonali przełomu. Zaobserwowali charakterystyczną przerwę energetyczną w kształcie litery V, co wskazuje na niekonwencjonalne nadprzewodnictwo w grafenie o kącie magicznym, co stanowi ważny postęp w kierunku nadprzewodników działających w temperaturze pokojowej.

Grafen Magic-Angle i „Twistronics”: Jak obrót warstw zmienia fizykę

Odkrycie grafenu o „magicznym kącie” wzbudziło spore zainteresowanie w świecie nauki. Naukowcy odkryli mnóstwo egzotycznych zjawisk kwantowych, począwszy od skorelowanych stanów izolacyjnych i niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa, aż po regulowany magnetyzm i fazy topologiczne.

W 2018 roku zespół fizyków z MIT pod kierownictwem Pablo Jarillo-Herrero po raz pierwszy stworzył i zaobserwował efekty grafenu o kącie magicznym.

Wykryli niezwykłe właściwości elektroniczne, takie jak nadprzewodnictwo, gdy dwie warstwy grafenu są ułożone w stos pod bardzo specyficznym kątem. Ta skręcona struktura jest znana jako skręcony dwuwarstwowy grafen o magicznym kącie, czyli MATBG.

Grafen to pojedyncza warstwa węgla, która ma grubość zaledwie jednego atomu i przypomina strukturę plastra miodu. Układ atomów węgla w układzie heksagonalnym przypomina siatkę drucianą i charakteryzuje się niezwykłą wytrzymałością, trwałością oraz zdolnością do przewodzenia ciepła i prądu.

Grafen dwuwarstwowy to z kolei stos dwóch warstw, w którym dwie sieci są zorientowane w szczególny sposób. 

In nieskazitelny grafen dwuwarstwowyJarillo-Herrero i jego koledzy z zespołu zaobserwowali zachowanie izolatora Motta (zjawisko, w którym materiał staje się izolatorem w wyniku silnego odpychania elektronów, mimo że oczekiwano, że będzie przewodnikiem), gdy dwie warstwy były skręcone pod magicznym kątem.

Ten doprowadziło do rozwoju „twistroniki”, obiecującej nowej techniki dostosowywania właściwości elektronicznych grafenu poprzez obracanie sąsiednich warstw materiału. 

Sposób został następnie użyty przez zespół badaczy z MIT, Uniwersytetu Harvarda i NIMS w Japonii, który sprawił, że skręcona warstwa dwuwarstwowa stała się nadprzewodząca poprzez zastosowanie pola elektrycznego.

Z biegiem czasu wielu naukowców badało różne wielowarstwowe struktury grafenu, które wykazywały oznaki nietypowego nadprzewodnictwa.

W 2021 roku fizycy z Harvardu z powodzeniem ułożyli trzy warstwy grafenu i skręcili je pod magicznym kątem, wyprodukować układ trójwarstwowy, który wykazuje silne nadprzewodnictwo¹ w wyższych temperaturach niż wiele układów z podwójnym grafenem. Będąc wrażliwym na zewnętrzne pole elektryczne, pozwoliło to również zespołowi na dostrojenie nadprzewodnictwa poprzez zmianę natężenia pola.

Eksperyment ten pomógł naukowcom zrozumieć, że nadprzewodnictwo struktury trójwarstwowej wynika z silnych oddziaływań elektron-elektron, które zwiększają jej odporność na wyższe temperatury. 

W tym samym roku naukowcy z Princeton zgłosił niesamowite podobieństwo² pomiędzy nadprzewodnictwem magicznego grafenu i nadprzewodnictwem nadprzewodników wysokotemperaturowych.

Za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego (STM) odkryli, że sparowane elektrony mają skończony moment pędu. Drugie dotyczyło tego, jak zmienia się zachowanie materiału nadprzewodzącego, gdy… stan nadprzewodnictwa wygasza się poprzez podwyższenie temperatury lub przyłożenie pola magnetycznego. Podczas gdy w nadprzewodnikach konwencjonalnych elektrony nie parują się, w nadprzewodnikach niekonwencjonalnych występuje pewna korelacja jest nadal zachowany.

MIT toruje drogę do nadprzewodników w temperaturze pokojowej

Zdolność nadprzewodników do przewodzenia prądu elektrycznego przy zerowej rezystancji sprawia, że ​​są one kluczowe dla technologii takich jak skanery MRI, przesył i magazynowanie energii, zaawansowane obliczenia komputerowe i akceleratory cząstek.

Jednak konwencjonalne nadprzewodniki działają tylko w bardzo niskich temperaturach. Dlatego muszą być przechowywane w specjalistycznych systemach chłodzenia, które pomagają im utrzymać stan nadprzewodnictwa.

Gdyby te materiały mogły nadprzewodzić w wyższych, bardziej dostępnych temperaturach, mogłyby na nowo zdefiniować systemy technologiczne na całym świecie. W tym celu naukowcy z MIT badają niekonwencjonalne nadprzewodniki. które odchodzą od tradycyjnego zachowania.

Niedawno fizycy z MIT zaobserwowali to zjawisko w przypadku skręconego pod „magicznym kątem” trójwarstwowego grafenu (MATTG), co stanowi bezpośrednie potwierdzenie, że MATTG może być gospodarzem niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa³.

Jak zauważył Jeong Min Park, współautor badania, w konwencjonalnych nadprzewodnikach elektrony w „parach Coopera” są bardzo oddalone od siebie i słabo związane, w przeciwieństwie do grafenu o kącie magicznym, gdzie „widzieliśmy już oznaki, że te pary są bardzo ściśle związane, niemal jak cząsteczka. Pojawiły się przesłanki, że w tym materiale jest coś zupełnie innego”.

Chociaż wcześniejsze badania dostarczyły pewnych wskazówek, nie zostały one jednoznacznie potwierdzone. Jak zauważono w badaniu, zrozumienie natury nadprzewodnictwa w grafenie o kącie magicznym było trudne, a główną trudnością było dostrzeżenie przerwy nadprzewodzącej. 

Zespół z MIT z powodzeniem zmierzył jednak przerwę nadprzewodzącą MATTG, ujawniając siłę jego stanu nadprzewodzącego w różnych temperaturach. Odkryli oni przerwę w MATTG zupełnie inną niż w konwencjonalnych nadprzewodnikach, co sugeruje, że przejście MATTG w stan nadprzewodzący zależy od nietypowego mechanizmu.
Przesuń, aby przewijać →

Jak zauważył Shuwen Sun, współautor badania, student studiów podyplomowych na Wydziale Fizyki MIT, nie istnieje jeden, lecz wiele mechanizmów, które mogą prowadzić do nadprzewodnictwa w materiałach, a to właśnie luka nadprzewodząca daje wskazówkę, który konkretny mechanizm prowadzi do powstania nadprzewodników w temperaturze pokojowej, które zrewolucjonizują energetykę i technologię.

„Kiedy materiał staje się nadprzewodzący, elektrony poruszają się parami, a nie pojedynczo, i powstaje przerwa energetyczna, która odzwierciedla sposób ich wiązania. Kształt i symetria tej przerwy zdradza nam podstawową naturę nadprzewodnictwa”.

- Park

Aby udowodnić swoje odkrycie niekonwencjonalnego mechanizmu, zespół wykorzystał nowatorski układ eksperymentalny, który pozwala na bezpośrednią obserwację procesu formowania się przerwy nadprzewodzącej w materiałach dwuwymiarowych (2D). 

W tym celu naukowcy wykorzystali spektroskopię tunelową. W tej technice kwantowej elektrony działają zarówno jako fale, jak i cząstki, umożliwiając im „tunelowanie” przez bariery, które normalnie by je zatrzymały. Badając łatwość, z jaką elektrony mogą tunelować przez materiał, naukowcy dowiadują się, jak silne są ich są związane w środku tego.

W tym przypadku zespół tunelował elektrony pomiędzy dwiema warstwami MATTG, aby zmierzyć jego stan nadprzewodzący.

Sama ta metoda nie zawsze jednak dowodzi nadprzewodnictwa materiału, co sprawia, że ​​bezpośredni pomiar jest kluczowy, ale i trudny. Dlatego zespół połączył spektroskopię tunelową z pomiarami transportu elektrycznego, które śledzą przepływ prądu przez materiał, monitorując jednocześnie jego rezystancję.

Zespół zastosował to podejście w przypadku MATTG i wyraźnie zidentyfikował nadprzewodzącą przerwę tunelową, która pojawiała się tylko wtedy, gdy materiał osiągnął zerowy opór.

Po zmianie temperatury i pola magnetycznego, przerwa ta przybrała ostrą krzywą w kształcie litery V, zamiast gładkiego, płaskiego wzoru, typowego dla konwencjonalnych nadprzewodników. Zgodnie z wynikami badań, unikalna niskoenergetyczna przerwa nadprzewodząca zanika w krytycznej temperaturze i polu magnetycznym nadprzewodzącym.

Ten charakterystyczny kształt wskazuje na nowy mechanizm leżący u podstaw nadprzewodnictwa MATTG, który, choć nieznany, jasno wskazuje, że materiał zachowuje się inaczej niż jakikolwiek konwencjonalny nadprzewodnik.

W większości nadprzewodników elektrony łączą się w pary pod wpływem wibracji w otaczającej sieci atomowej, które je do siebie zbliżają. Jednak w przypadku MATTG, jak twierdzi Park, parowanie może wynikać z silnych oddziaływań elektronowych, co oznacza, że ​​„elektrony same wspomagają się nawzajem w łączeniu się w pary, tworząc stan nadprzewodzący o szczególnej symetrii”.

Technika, która pozwoliła zespołowi na bezpośrednią obserwację przerwy nadprzewodzącej, czyli połączenie spektroskopii tunelowej i pomiarów transportu, zostanie teraz wykorzystana do badania różnych materiałów skręconych i warstwowych.

Dzięki temu zespołowi udało się „zidentyfikować i zbadać podstawowe struktury elektronowe nadprzewodnictwa i innych faz kwantowych w miarę ich występowania w tej samej próbce”, jak zauważył Park, „ten bezpośredni widok może ujawnić, w jaki sposób elektrony łączą się w pary i konkurują z innymi stanami, torując drogę do projektowania i kontrolowania nowych nadprzewodników i materiałów kwantowych, które w przyszłości mogłyby napędzać wydajniejsze technologie lub komputery kwantowe”.

Naukowcy wykorzystają również układ eksperymentalny do dokładniejszego zbadania MATTG oraz innych materiałów 2D, aby znaleźć nowych, obiecujących kandydatów do zastosowania w zaawansowanych technologiach.

„Dokładne zrozumienie jednego niekonwencjonalnego nadprzewodnika może pobudzić nasze zrozumienie pozostałych” – powiedział główny autor badania, Jarillo-Herrero, profesor fizyki im. Cecila i Idy Green na MIT. „To zrozumienie może pomóc w projektowaniu nadprzewodników działających na przykład w temperaturze pokojowej, co jest swego rodzaju Świętym Graalem całej dziedziny”.

Rola geometrii kwantowej w nadciekłości elektronów

Najnowsze odkrycie MIT dotyczące trójwarstwowego grafenu o kącie magicznym stanowi ogromny krok w kierunku zrozumienia niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa, ale badania uzupełniające również pomagają uzupełnić kluczowe szczegóły, na przykład to, jak łatwo pary elektronów przepływają przez te materiały.

Wiadomo, że elektrony w materiałach nadprzewodzących poruszają się z zerowym tarciem, ale łatwość przepływu par elektronów zależy od takich czynników, jak ich gęstość. Termin „sztywność nadcieczy” opisuje, jak bardzo układ nadprzewodzący jest odporny na zmiany w przepływie par elektronów, co czyni go kluczowym wskaźnikiem nadprzewodnictwa.

Na początku tego roku fizycy z MIT i Uniwersytetu Harvarda bezpośrednio zmierzono sztywność nadciekłą w grafenie o kącie magicznym⁴ aby lepiej zrozumieć w jaki sposób materiał jest nadprzewodnikiem. 

Celem niniejszego badania było zidentyfikowanie mechanizmu odpowiedzialnego za nadprzewodnictwo w grafenie o kącie magicznym, który jest w dużej mierze determinowany przez geometrię kwantową, czyli koncepcyjny „kształt” stanów kwantowych w materiale.

Aby bezpośrednio zmierzyć sztywność nadcieczy, zespół opracował nową technikę eksperymentalną, która może również być użytym aby wykonać podobne pomiary innych dwuwymiarowych materiałów nadprzewodzących, których „cała rodzina czeka na zbadanie”.

W materiałach takich jak MATBG, parowanie elektronów, czyli pary Coopera, może tworzyć nadciekłość, co oznacza, że ​​elektrony mogą przemieszczać się przez materiał bez wysiłku, tworząc prąd. Chociaż nie stawiają oporu, to jednak konieczne jest zastosowanie pewnego nacisku w postaci pola elektrycznego, aby prąd się przemieszczał.

"Sztywność nadcieczy odnosi się do tego, jak łatwo jest wprawić te cząstki w ruch, aby wywołać nadprzewodnictwo."

– współautor badania, Joel Wang, naukowiec z Laboratorium Badawczego Elektroniki (RLE) na MIT)

Sztywność w stanie nadciekłym jest zazwyczaj mierzona metodami polegającymi na umieszczeniu materiału nadprzewodzącego w rezonatorze mikrofalowym – urządzeniu rezonującym z częstotliwościami mikrofalowymi. W rezonatorze mikrofalowym materiał modyfikuje zarówno częstotliwość rezonansową, jak i indukcyjność kinetyczną proporcjonalnie do swojej sztywności w stanie nadciekłym.

Jednakże techniki te okazały się kompatybilne z próbkami jedynie 10–100 razy większymi i grubszymi niż MATBG, co oznacza, że ​​do pomiaru sztywności nadciekłej w nadprzewodnikach o grubości atomowej potrzebne jest nowe podejście.

Wyzwaniem przy wykonywaniu tego zadania przy użyciu niezwykle delikatnego materiału, jakim jest MATBG, jest przymocowanie go do powierzchni rezonatora mikrofalowego bez naruszania jej gładkości. Ten oznacza to „nawiązanie idealnie bezstratnego — tzn. nadprzewodzącego — kontaktu między dwoma materiałami”, w przeciwnym razie wysłany sygnał mikrofalowy ulegnie degradacji lub po prostu odbije się z powrotem.

Tak więc, zespół najpierw zmontował MATBG, stosując standardowe techniki produkcji, a następnie zamknął go pomiędzy dwiema izolacyjnymi warstwami heksagonalnego azotku boru, aby zachować jego delikatną strukturę atomową i wewnętrzne właściwości.

Rezonator był w większości aluminiowy, z niewielką ilością MATBG dodaną na końcu. Aby zetknąć się z MATBG, zespół wytrawił go bardzo ostro, odsłaniając bok nowo wyciętego MATBG, do którego dodano aluminium. został zdeponowany „nawiązać dobry kontakt i utworzyć aluminiowy przewód”, który został podłączony do większego aluminiowego rezonatora mikrofalowego. 

Zespół wysłał sygnał mikrofalowy przez ten rezonator, zmierzył powstałą zmianę częstotliwości rezonansowej i wydedukował indukcyjność kinetyczną MATBG. Po przeliczeniu zmierzonej indukcyjności na wartość sztywności nadciekłej, zespół stwierdził, że jest ona znacznie większa niż przewidywały konwencjonalne teorie nadprzewodnictwa.

"Zaobserwowaliśmy dziesięciokrotny wzrost sztywności nadciekłej w porównaniu z konwencjonalnymi oczekiwaniami, przy czym zależność od temperatury jest zgodna z przewidywaniami teorii geometrii kwantowej,„powiedziała współautorka Miuko Tanaka. „Był to „niezbity dowód” wskazujący na rolę geometrii kwantowej w sterowaniu sztywnością stanu nadciekłego w tym dwuwymiarowym materiale."

Inwestowanie w technologię nadprzewodzącą

Amerykańska korporacja nadprzewodników (AMSC ) jest firmą energetyczną produkującą zaawansowane systemy nadprzewodników. Koncentruje się na komercjalizacji istniejących technologii nadprzewodnikowych i ich zastosowaniu w rzeczywistych sieciach energetycznych i zastosowaniach morskich.

AMSC to wiodący dostawca rozwiązań zapewniających odporność systemów zasilania na skalę megawatów, w tym Gridtec, Marinetec i Windtec. 

Dzięki tym rozwiązaniom firma dostarcza zaawansowane systemy sieciowe optymalizujące wydajność, efektywność i niezawodność sieci, rozwiązania z zakresu napędu i zarządzania energią w celu zwiększenia jakości energii i bezpieczeństwa operacyjnego, a także elektroniczne systemy i układy sterowania turbinami wiatrowymi.