MIT, MATTG'de Geleneksel Olmayan Süperiletkenliği Doğruladı

Süperiletkenlik, elektronların normal iletkenlerde veya günlük malzemelerde olduğu gibi dağılmaları yerine, çiftler halinde bir araya gelmeleriyle oluşur. Bu çift elektronlara "Cooper çiftleri" denir ve bu çiftler, dirençsiz, mükemmel bir akım akışı oluşturur.

Bu dikkat çekici mülk is gözlenen süperiletkenlerde soğutulur Belirli bir "kritik sıcaklığın" altında. Bu malzemeler, enerji kaybı olmadan akımın sonsuza kadar akmasına izin vermenin yanı sıra, aynı zamanda manyetik alanlar da yayarlar ve bu da onların havada asılı kalmasını sağlar.

Alüminyumdan yapılanlar gibi geleneksel süper iletkenler çok düşük sıcaklıklar gerektirirken, araştırmacılar aktif olarak daha yüksek sıcaklıklarda süperiletken olabilen malzemeler, Daha pratik sıcaklıklar, enerji ve kuantum teknolojilerinde devrim yaratabilecek bir adım.

MIT'deki araştırmacılar bu çığır açıcı buluşu gerçekleştirdi. Belirgin bir V şeklinde enerji boşluğu gözlemlediler. hangi işaret ediyor Sihirli açılı grafende alışılmadık süperiletkenlik, oda sıcaklığında süperiletkenlere doğru önemli bir ilerlemeyi işaret ediyor.

Sihirli Açı Grafeni ve 'Twistronics': Katman Dönmesi Fiziği Nasıl Değiştiriyor?

"Sihirli açılı" grafenin keşfinden bu yana bilim dünyasında büyük ilgi gören bu buluş, araştırmacıların korelasyonlu yalıtkan durumlardan alışılmadık süperiletkenliğe, ayarlanabilir manyetizmadan topolojik fazlara kadar uzanan sayısız egzotik kuantum olgusunu ortaya çıkarmasını sağladı.

2018 yılında, Pablo Jarillo-Herrero liderliğindeki MIT'deki bir fizikçi ekibi, ilk kez sihirli açılı grafenin etkilerini yarattı ve gözlemledi.

İki grafen tabakasının süperiletkenlik gibi sıra dışı elektronik özellikler tespit ettiklerini belirttiler. yığılmış çok belirli bir açıda. Bu bükülmüş yapıya sihirli açılı bükülmüş çift katmanlı grafen veya MATBG denir.

Grafen, tek atom kalınlığında, petek örgüsü şeklinde tek bir karbon tabakasıdır. Karbon atomlarının altıgen bir düzende düzenlenmesi tavuk teline benzer ve olağanüstü bir sağlamlık, dayanıklılık ve ısı ile elektriği iletme yeteneği gösterir.

Bu arada, çift katmanlı grafen, iki kafesin birleştiği iki katmandan oluşan bir yığındır. yönlendirilmiş belirli bir şekilde. 

In bozulmamış çift katmanlı grafenJarillo-Herrero ve takım arkadaşları, iki katman birbirine bağlandığında Mott yalıtkan davranışını (bir iletken olması beklenmesine rağmen, güçlü elektron-elektron itmesi nedeniyle bir malzemenin yalıtkan haline geldiği bir olgu) gözlemlediler. bükülmüşlerdi sihirli bir açıyla.

Bu Malzemenin bitişik katmanlarını döndürerek grafenin elektronik özelliklerini ayarlamak için umut verici yeni bir teknik olan "twistronik"in geliştirilmesine yol açtı. 

Gibi bir yöntem daha sonra kullanıldı Japonya'daki MIT, Harvard Üniversitesi ve NIMS'den bir grup araştırmacı, bükülmüş çift katmanlı yapıyı elektrik alanı uygulayarak süperiletken hale getirmeyi hedefliyor.

Zamanla birçok araştırmacı, alışılmadık süperiletkenlik belirtileri gösteren çeşitli çok katmanlı grafen yapılarını inceledi.

2021 yılında Harvard fizikçileri, üç katman grafeni başarıyla üst üste koyup sihirli bir açıyla büktüler. sağlam süperiletkenlik sergileyen üç katmanlı bir sistem üretmek¹ birçok çift katlı grafen sisteminden daha yüksek sıcaklıklarda. Dışarıdan uygulanan bir elektrik alanına duyarlı olmak, Ayrıca ekibin, alanın şiddetini ayarlayarak süperiletkenliği ayarlamasına da olanak sağladı.

Bu deney, bilim insanlarının üç katmanlı yapının süperiletkenliğinin, onu daha yüksek sıcaklıklara daha dayanıklı kılan güçlü elektron-elektron etkileşimlerinden kaynaklandığını anlamalarına yardımcı oldu. 

Aynı yıl, Princeton araştırmacıları ürkütücü bir benzerlik bildirildi² Sihirli grafenin süperiletkenliği ile yüksek sıcaklık süperiletkenleri arasındaki fark.

Taramalı tünelleme mikroskobu (STM) kullanarak, eşleştirilmiş elektronların sonlu bir açısal momentuma sahip olduğunu buldular. Diğeri ise, süperiletken bir malzemenin davranışının, Süperiletkenlik durumu, sıcaklığın artırılması veya manyetik alan uygulanmasıyla söndürülür. Geleneksel süperiletkenlerde elektronlar eşleşmezken, alışılmadık olanlarda bazı korelasyonlar vardır hala muhafaza ediliyor.

MIT, Oda Sıcaklığında Süperiletkenlere Giden Yolu Açıyor

Süperiletkenlerin sıfır dirençle elektriği iletme yeteneği, onları MRI tarayıcıları, güç iletimi ve depolama, gelişmiş bilgi işlem ve parçacık hızlandırıcıları gibi teknolojiler için önemli hale getiriyor.

Ancak geleneksel süperiletkenler yalnızca çok düşük sıcaklıklarda çalışırlar. Bu nedenle, süperiletkenlik durumlarını korumalarına yardımcı olmak için özel soğutma sistemlerinde tutulmaları gerekir.

Bu malzemeler daha yüksek ve daha erişilebilir sıcaklıklarda süperiletkenlik gösterebilseydi, dünya çapında teknolojik sistemleri yeniden tanımlayabilirlerdi. Bu amaçla, MIT'deki bilim insanları alışılmadık süperiletkenleri araştırıyor. Geleneksel davranıştan uzaklaşan.

Son zamanlarda, MIT fizikçileri bu fenomeni "sihirli açı" bükülmüş üç katmanlı grafende (MATTG) gözlemlediler ve bu da doğrudan şu doğrulamayı sağladı: MATTG alışılmadık süperiletkenliğe ev sahipliği yapabilir³.

Çalışmanın ortak başyazarı Jeong Min Park'ın da belirttiği gibi, geleneksel süperiletkenlerde 'Cooper çiftleri'ndeki elektronlar birbirinden çok uzakta ve zayıf bir şekilde bağlı. Sihirli açılı grafende ise, "bu çiftlerin neredeyse bir molekül gibi sıkı bir şekilde bağlı olduğuna dair işaretler görebiliyorduk. Bu malzemede çok farklı bir şey olduğuna dair ipuçları vardı."

Önceki çalışmalar ipuçları sağlasa da, kesin olarak doğrulanmamıştı. Çalışmada belirtildiği gibi, sihirli açılı grafendeki süperiletkenliğin doğasını anlamak zorlu olmuştur ve asıl zorluk, süperiletkenlik boşluğunu ayırt etmektir. 

Ancak MIT ekibi, MATTG'nin süperiletkenlik aralığını başarıyla ölçerek, farklı sıcaklıklardaki süperiletkenlik durumunun gücünü ortaya koydu. Buldukları şey, MATTG'de geleneksel süperiletkenlerden tamamen farklı bir aralıktı; bu da MATTG'nin süperiletken hale gelmesinin alışılmadık bir mekanizmaya bağlı olduğunu gösteriyordu.
Kaydırmak için kaydırın →

Çalışmanın eş başyazarı, MIT Fizik Bölümü'nde lisansüstü öğrencisi olan Shuwen Sun'ın da belirttiği gibi, malzemelerde süperiletkenliğe yol açabilecek tek bir mekanizma yok, birçok farklı mekanizma var ve oda sıcaklığındaki süperiletkenlerin enerji ve teknolojide devrim yaratmasına hangi mekanizmanın yol açtığına dair ipucu veren şey süperiletkenlik boşluğudur.

"Bir malzeme süperiletken hale geldiğinde, elektronlar tek tek değil, çiftler halinde birlikte hareket eder ve nasıl bağlandıklarını yansıtan bir enerji boşluğu oluşur. Bu boşluğun şekli ve simetrisi, süperiletkenliğin altında yatan doğayı bize anlatır."

- Park

Ekip, alışılmadık bir mekanizma keşfettiklerini kanıtlamak için, süperiletken boşluğun iki boyutlu (2B) malzemelerde nasıl oluştuğunu doğrudan gözlemlemelerine olanak tanıyan yeni bir deneysel sistem kullandı. 

Araştırmacılar bunun için tünelleme spektroskopisini kullandılar. Bu kuantum ölçekli teknikte, elektronlar hem dalga hem de parçacık olarak hareket ederek, normalde kendilerini durduracak bariyerlerden "tünelleme" yapmalarına olanak tanır. Araştırmacılar, elektronların bir malzemeyi ne kadar kolay tünelleyebildiğini inceleyerek, ne kadar güçlü olduklarını öğrenirler. bağlı olan içinde.

Bu durumda ekip, süperiletken durumunu ölçmek için MATTG'nin iki katmanı arasında elektron tünellemesi yaptı.

Ancak bu yöntem tek başına bir malzemenin süperiletkenliğini her zaman kanıtlamaz ve bu da doğrudan ölçümü önemli ama zorlu hale getirir. Bu nedenle ekip, tünelleme spektroskopisini, akımın bir malzeme içinde nasıl hareket ettiğini ve direncini izlerken nasıl hareket ettiğini izleyen elektriksel iletim ölçümleriyle birleştirdi.

Ekip bu yaklaşımı MATTG üzerinde kullandı ve yalnızca malzeme sıfır dirence ulaştığında ortaya çıkan süperiletken tünelleme boşluğunu net bir şekilde tespit etti.

Sıcaklık ve manyetik alan değiştirildiğinde, bu boşluk, geleneksel süperiletkenlerde genellikle görülen pürüzsüz ve düz desen yerine keskin bir V şeklinde eğri sergilemiştir. Çalışmaya göre, benzersiz düşük enerjili süperiletken boşluk, süperiletken kritik sıcaklık ve manyetik alanda kaybolmaktadır.

Bu belirgin şekil, MATTG'nin süperiletkenliğinin altında yatan yeni bir mekanizmaya işaret ediyor. Bu mekanizma henüz bilinmiyor olsa da, malzemenin aslında geleneksel süperiletkenlerden farklı davrandığı açıkça görülüyor.

Çoğu süperiletkende, elektronlar çevreleyen atom kafesindeki titreşimler nedeniyle eşleşir ve bu da onları birbirine iter. Ancak Park, MATTG'de bu eşleşmenin güçlü elektronik etkileşimlerden kaynaklanabileceğini, yani "elektronların kendilerinin birbirlerinin eşleşmesine yardımcı olarak özel simetriye sahip bir süperiletken durum oluşturması" anlamına gelebileceğini söylüyor.

Ekibin süperiletken boşluğu doğrudan gözlemlemesini sağlayan, tünelleme spektroskopisi ve taşıma ölçümlerinin birleşimi olan teknik, bundan sonra çeşitli bükülmüş ve katmanlı malzemeleri incelemek için kullanılacak.

Park, kurulumun ekibin "aynı örneklem içinde süperiletkenliğin ve diğer kuantum fazlarının altında yatan elektronik yapıları, oluştukları anda tanımlamasına ve incelemesine" olanak sağladığını belirterek, "bu doğrudan bakış açısının elektronların diğer durumlarla nasıl eşleştiğini ve rekabet ettiğini ortaya çıkarabileceğini, bir gün daha verimli teknolojilere veya kuantum bilgisayarlarına güç sağlayabilecek yeni süperiletkenlerin ve kuantum malzemelerinin tasarlanmasının ve kontrol edilmesinin önünü açabileceğini" kaydetti.

Ayrıca, ileri teknolojiler için yeni ve umut vadeden adaylar bulmak amacıyla MATTG'yi ve diğer 2 boyutlu malzemeleri daha detaylı incelemek için deneysel düzeneği kullanacaklar.

Çalışmanın kıdemli yazarı ve MIT'de Cecil ve Ida Green Fizik Profesörü olan Jarillo-Herrero, "Alışılmadık bir süperiletkeni çok iyi anlamak, geri kalanını da anlamamızı sağlayabilir," dedi. "Bu anlayış, örneğin tüm alanın kutsal kasesi olan oda sıcaklığında çalışan süperiletkenlerin tasarımına rehberlik edebilir."

Elektronların Süperakışkan Hale Gelmesinde Kuantum Geometrisinin Rolü

MIT'nin sihirli açılı üç katmanlı grafendeki son keşfi, alışılmadık süperiletkenliği anlama yolunda önemli bir sıçramayı temsil ederken, tamamlayıcı çalışmalar aynı zamanda elektron çiftlerinin bu malzemelerden ne kadar kolay aktığı gibi önemli ayrıntıların doldurulmasına da yardımcı oluyor.

Süperiletken malzemelerdeki elektronların sıfır sürtünmeyle hareket ettiği biliniyor, ancak elektron çiftlerinin ne kadar kolay akabileceği yoğunluk gibi faktörlere bağlı. "Süperakışkan sertliği" terimi, süperiletken bir sistemin elektron çiftlerinin akışındaki değişikliklere ne kadar dirençli olduğunu tanımlar ve bu da onu süperiletkenliğin önemli bir göstergesi haline getirir.

Bu yılın başlarında, MIT ve Harvard Üniversitesi'ndeki fizikçiler doğrudan sihirli açılı grafendeki süperakışkan sertliği ölçüldü⁴ Malzemenin nasıl süperiletken olduğunu daha iyi anlamak için. 

Bu çalışmayla, esas olarak kuantum geometrisi veya bir malzemedeki kuantum durumlarının kavramsal 'şekli' tarafından belirlenen sihirli açılı grafende süperiletkenlikten sorumlu mekanizmanın tanımlanması amaçlanmıştır.

Şimdi, süperakışkan sertliğini doğrudan ölçmek için ekip, aynı zamanda kullanılabilir "Diğer 2 boyutlu süperiletken malzemelerde de benzer ölçümler yapmak için, bunların arasında "araştırılmayı bekleyen koca bir aile var."

MATBG gibi malzemelerde, elektron çiftleri, yani Cooper çiftleri, süperakışkan bir yapı oluşturabilir; bu da, bir malzeme içinde zahmetsiz bir akım gibi hareket edebilecekleri anlamına gelir. Ancak dirençleri olmasa da, akımın hareket etmesi için elektrik alanı şeklinde bir miktar itme kuvvetinin uygulanması gerekir.

"Süperakışkan sertliği, süperiletkenliği sağlamak için bu parçacıkların hareket etmesinin ne kadar kolay olduğunu ifade eder."

– Çalışmanın ortak başyazarı, MIT Elektronik Araştırma Laboratuvarı'nda (RLE) araştırma bilimcisi olan Joel Wang)

Bu süperakışkan sertliği, genellikle süperiletken malzemeyi mikrodalga frekanslarında rezonans oluşturan bir cihaz olan mikrodalga rezonatörüne yerleştiren yöntemler kullanılarak ölçülür. Mikrodalga rezonatöründe, malzeme süperakışkan sertliğine orantılı olarak hem rezonans frekansını hem de kinetik endüktansını değiştirir.

Ancak bu teknikler MATBG'den yalnızca 10 ila 100 kat daha büyük ve daha kalın numunelerle uyumluydu; bu da atomik olarak ince süperiletkenlerde süperakışkan sertliğini ölçmek için yeni bir yaklaşıma ihtiyaç duyulduğu anlamına geliyor.

Şimdi, MATBG gibi son derece hassas bir malzemeyle bunu yapmanın zorluğu, onu mikrodalga rezonatörünün yüzeyine, pürüzsüzlüğünü bozmadan tutturmaktır. Bu yani iki malzeme arasında "ideal olarak kayıpsız, yani süperiletken bir temas" sağlanması anlamına gelir, aksi takdirde gönderilen mikrodalga sinyali bozulacak veya geri yansıyacaktır.

Bu yüzden, Ekip önce MATBG'yi standart üretim tekniklerini kullanarak bir araya getirdi ve ardından kapattı hassas atomik yapısını ve içsel özelliklerini korumak için iki hekzagonal bor nitrür yalıtım levhası arasına yerleştirilir.

Rezonatör çoğunlukla alüminyumdan yapılmıştı ve ucuna az miktarda MATBG eklenmişti. MATBG ile temas etmek için ekip, yeni kesilen MATBG'nin bir tarafını açığa çıkararak onu çok keskin bir şekilde aşındırdı. Bu, alüminyumun yatırıldı "iyi bir temas kurmak ve alüminyum bir kurşun oluşturmak" için bağlandı daha büyük alüminyum mikrodalga rezonatörüne. 

Ekip, bu rezonatörden bir mikrodalga sinyali göndererek, rezonans frekansındaki değişimi ölçtü ve MATBG'nin kinetik endüktansını çıkardı. Ölçülen endüktansı süperakışkan sertlik değerine dönüştürdüklerinde, bunun geleneksel süperiletkenlik teorilerinin öngördüğünden çok daha büyük olduğunu buldular.

"Kuantum geometrisi teorisinin öngördüğü sıcaklık bağımlılığıyla, geleneksel beklentilere kıyasla süperakışkan sertliğinde on kat artış gördük." dedi eş baş yazar Miuko Tanaka. "Bu, iki boyutlu malzemede süperakışkan sertliğini yönetmede kuantum geometrisinin rolüne işaret eden kesin bir kanıttı."

Süperiletken Teknolojiye Yatırım Yapmak

Amerikan Süperiletken Şirketi (AMSC ) Gelişmiş süperiletken sistemleri üreten bir enerji teknolojisi şirketidir. Mevcut süperiletken teknolojilerini ticarileştirmeye ve bunları gerçek dünyadaki elektrik şebekesi ve denizcilik uygulamalarına uygulamaya odaklanmaktadır.

AMSC, Gridtec, Marinetec ve Windtec gibi megavat ölçeğinde güç dayanıklılığı çözümlerinin önde gelen sağlayıcılarından biridir. 

Şirket, bu çözümler aracılığıyla şebeke performansını, verimliliğini ve güvenilirliğini optimize eden gelişmiş şebeke sistemleri, güç kalitesini ve operasyonel güvenliği artıran tahrik ve güç yönetimi çözümleri ile rüzgar türbini elektronik kontrolleri ve sistemleri sağlıyor.

AMSC, 1.66 milyar dolar piyasa değerine sahip bir şirkettir ve hisseleri, yazının yazıldığı tarih itibarıyla, %49.86'lık bir artışla 36.97 dolardan işlem görmektedir. Hisse fiyatı geçen ay 70.49 dolarlık zirveye ulaşmış, ancak o zamandan beri önemli ölçüde düşüş göstermiştir. Bir aydan kısa sürede yaşanan bu %47.5'lik büyük düşüş, AMSC'nin Wall Street satış hedeflerini kaçırmasından kaynaklanmıştır.

Şirket, geçen hafta 2025 mali yılının ikinci çeyrek gelirini açıkladı ve bu gelir, 2023'ün ikinci çeyreğindeki 54.5 milyon dolardan 65.9 milyon dolara yükseldi. Net geliri 4.8 milyon dolar veya hisse başına 0.11 dolar oldu. 30 Eylül 2025 itibarıyla AMSC'nin 218.8 milyon doları vardı. milyon nakit, nakit benzeri varlıklar ve kısıtlı nakit, karşılaştırıldığında Mart ayı sonu itibarıyla 85.4 milyon dolara ulaştı.

Yıllık %20'lik gelir artışı, %30'u aşan brüt kar marjları ve üst üste beşinci çeyrekte karlılığı işaret eden yaklaşık 5 milyon dolar net gelir hakkında konuşan CEO Daniel P. McGahn şunları söyledi: sürüldü "Enerji ve askeri pazarlardaki güçlü sipariş talebi, yerel üretimdeki olumlu gelişmeler ve kilit sektörlerdeki güvenilir güç ihtiyaçlarıyla destekleniyor."

AMSC, üçüncü çeyrekte gelirlerin 65 milyon ila 70 milyon dolar aralığında olmasını ve net kârın 2 milyon doları veya hisse başına 0.05 doları aşmasını bekliyor.

American Superconductor Corporation (AMSC) Hisse Senedi Haberleri

Sonuç

Süperiletkenlik, enerji verimliliği, bilgisayar bilimleri ve malzeme bilimi üzerinde büyük etkisi olan, modern fizikteki en dönüştürücü kavramlardan biridir. MIT ekibinin sihirli açılı bükülmüş üç katmanlı grafen (MATTG) ile yaptığı çalışma, süperiletkenliğin alışılmadık mekanizmalar aracılığıyla nasıl ortaya çıkabileceğinin ortaya çıkarılmasında önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor.

Bu bulgular, uzun zamandır aranan "Kutsal Kase" olan oda sıcaklığında süperiletkenliğe ulaşan malzemelerin geliştirilmesine de yardımcı olabilir. Bu tür malzemeler gerçeğe dönüştürülürse, elektrikli ulaşımdan veri merkezlerine ve kuantum bilgisayarlarına kadar her şeyde devrim yaratabilir ve teknolojik olanaklar açısından yeni bir çağ başlatabilir.

Referanslar

1. Hao, Z., Zimmerman, AM, Ledwith, P., Khalaf, E., Haie Najafabadi, D., Watanabe, K., Taniguchi, T., Vishwanath, A. ve Kim, P. Alternatif bükümlü sihirli açılı üç katmanlı grafende elektrik alanı ayarlanabilir süperiletkenlik. Bilim 371, 1133-1138 (2021). https://doi.org/10.1126/science.abg0399
2. Oh, M., Nuckolls, KP, Wong, D., Lee, RL, Liu, X., Watanabe, K., Taniguchi, T. ve Yazdani, A. Bükülmüş çift katmanlı grafende alışılmadık süperiletkenliğe dair kanıtlar. Tabiat 600, 240-245 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04121-x
3. Park, JM, Sun, S., Watanabe, K., Taniguchi, T. ve Jarillo-Herrero, P. Moiré grafende düğüm süperiletken boşluğuna ilişkin deneysel kanıt. Bilim (2025). https://doi.org/10.1126/science.adv8376
4. Tanaka, M., Wang, J.Î-j., Dinh, TH, Rodan-Legrain, D., Zaman, S., Hays, M., Almanakly, A., Kannan, B., Kim, DK, Niedzielski, BM, Serniak, K., Schwartz, ME, Watanabe, K., Taniguchi, T., Orlando, TP, Gustavsson, S., Grover, JA, Jarillo-Herrero, P. ve Oliver, WD Sihirli açılı bükülmüş çift katmanlı grafenin süperakışkan sertliği. Tabiat 638, 99-105 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08494-7