MIT підтверджує нетрадиційну надпровідність у MATTG

Надпровідність виникає, коли електрони об'єднуються в пари, а не розсіюються, як це відбувається у звичайних провідниках або повсякденних матеріалах. Ці спарені електрони називаються «куперівськими парами», що створює ідеальний потік струму без опору.

Ця чудова власність is спостерігається у надпровідниках, коли вони охолоджуються нижче певної «критичної температури». Окрім того, що ці матеріали дозволяють струму протікати необмежено довго без втрати енергії, вони також випромінюють магнітні поля, що дозволяє їм левітувати.

Хоча звичайні надпровідники, такі як виготовлені з алюмінію, потребують дуже низьких температур, дослідники активно розробляють матеріали, які можуть проводити надпровідність при вищих температурах, більш практичні температури, крок, який може революціонізувати енергетичні та квантові технології.

Дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) досягли цього прориву. Вони спостерігали характерну V-подібну енергетичну щілину, що вказує на нетрадиційна надпровідність у графені з магічним кутом, що знаменує собою важливий прогрес у створенні надпровідників за кімнатної температури.

Графен під магічним кутом та «твістроніка»: як обертання шарів змінює фізику

З моменту відкриття графену з «магічним кутом» він викликав багато галасу в науковому світі, оскільки дослідники виявили безліч екзотичних квантових явищ, починаючи від корельованих ізоляційних станів і нетрадиційної надпровідності до настроюваного магнетизму та топологічних фаз.

У 2018 році команда фізиків з Массачусетського технологічного інституту під керівництвом Пабло Харілло-Ерреро вперше створила та спостерігала ефекти графену під магічним кутом.

Вони виявили незвичайні електронні властивості, такі як надпровідність, коли два шари графену складені під дуже певним кутом. Ця скручена структура відома як двошаровий скручений графен під магічним кутом, або MATBG.

Графен — це один шар вуглецю, товщиною всього один атом, який має стільникову решітку. Розташування атомів вуглецю у вигляді шестикутника нагадує дротяну сітку та демонструє чудову міцність, довговічність і здатність проводити тепло та електрику.

Тим часом двошаровий графен являє собою стопку з двох шарів, у яких дві решітки орієнтовані певним чином. 

In чистий двошаровий графенХарілло-Ерреро та його колеги спостерігали поведінку ізолятора Мотта (явище, при якому матеріал стає ізолятором через сильне електрон-електронне відштовхування, незважаючи на те, що він має бути провідником), коли два шари були перекручені під магічним кутом.

Цей призвело до розробки «твістроніки» – перспективної нової методики регулювання електронних властивостей графену шляхом обертання суміжних шарів матеріалу. 

Метод потім використовувався команда дослідників з Массачусетського технологічного інституту, Гарвардського університету та NIMS у Японії, щоб зробити скручений двошаровий надпровідний матеріал, застосовуючи електричне поле.

З часом багато дослідників досліджували різні багатошарові графенові структури, які демонстрували ознаки нетрадиційної надпровідності.

Ще у 2021 році фізики з Гарварду успішно склали три шари графену та скрутили їх під магічним кутом, щоб створити тришарову систему, яка демонструє стійку надпровідність¹ при вищих температурах, ніж багато двошарових графенових систем. Будучи чутливим до зовнішнього прикладеного електричного поля, це також дозволило команді налаштувати надпровідність, регулюючи силу поля.

Цей експеримент допоміг вченим зрозуміти, що надпровідність тришарової структури зумовлена ​​сильною електрон-електронною взаємодією, яка робить її більш стійкою до вищих температур. 

Того ж року дослідники з Принстона повідомив про дивовижну схожість² між надпровідністю магічного графену та надпровідністю високотемпературних надпровідників.

Використовуючи скануючий тунельний мікроскоп (СТМ), вони виявили, що спарені електрони мають скінченний кутовий момент. Інше дослідження стосувалося того, як змінюється поведінка надпровідного матеріалу, коли Надпровідний стан гаситься підвищенням температури або застосуванням магнітного поля. Хоча в звичайних надпровідниках електрони розпарюються, в нетрадиційних спостерігається певна кореляція досі зберігається.

MIT прокладає шлях до надпровідників кімнатної температури

Здатність надпровідників проводити електрику з нульовим опором робить їх ключовими для таких технологій, як МРТ-сканери, передача та зберігання енергії, передові обчислення та прискорювачі частинок.

Але звичайні надпровідники працюють лише за дуже низьких температур. Тому їх потрібно зберігати у спеціалізованих системах охолодження, щоб допомогти їм підтримувати свій надпровідний стан.

Якби ці матеріали могли бути надпровідними за вищих, доступніших температур, вони могли б переосмислити технологічні системи в усьому світі. З цією метою вчені Массачусетського технологічного інституту досліджують нетрадиційні надпровідники. що відхиляються від традиційної поведінки.

Нещодавно фізики Массачусетського технологічного інституту спостерігали це явище в тришаровому графені, скрученому під «магічним кутом» (MATTG), що є прямим підтвердженням того, що MATTG може бути містком нетрадиційної надпровідності³.

Як зазначив Чон Мін Парк, співавтор дослідження, у звичайних надпровідниках електрони в «куперівських парах» розташовані дуже далеко один від одного та слабо зв'язані, на відміну від графену з магічним кутом, де «ми вже могли бачити ознаки того, що ці пари дуже щільно зв'язані, майже як молекула. ​​Були натяки на те, що в цьому матеріалі є щось зовсім інше».

Хоча попередні дослідження дали підказки, вони не були точно підтверджені. Як зазначається в дослідженні, розуміння природи надпровідності в графені з магічним кутом було складним завданням, причому основна складність полягала у виявленні надпровідної щілини. 

Однак команда MIT успішно виміряла надпровідну щілину MATTG, виявивши силу його надпровідного стану за різних температур. Вони виявили щілину в MATTG, яка повністю відрізнялася від щілини у звичайних надпровідниках, що свідчить про те, що перетворення MATTG на надпровідний стан залежить від незвичайного механізму.
Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Як зазначив співавтор дослідження, Шувень Сун, аспірант кафедри фізики Массачусетського технологічного інституту, існує не один, а багато різних механізмів, які можуть призвести до надпровідності в матеріалах, і саме надпровідна щілина дає підказку щодо того, який саме механізм призводить до того, що надпровідники за кімнатної температури революціонізують енергетику та технології.

«Коли матеріал стає надпровідним, електрони рухаються разом парами, а не окремо, і виникає енергетична щілина, яка відображає те, як вони зв'язані. Форма та симетрія цієї щілини розповідають нам про основну природу надпровідності».

– Парк

Щоб довести своє відкриття нетрадиційного механізму, команда використала нову експериментальну систему, яка дозволяє їм безпосередньо спостерігати за формуванням надпровідної щілини у двовимірних (2D) матеріалах. 

Для цього дослідники використали тунельну спектроскопію. У цьому квантово-масштабному методі електрони діють як хвилі, так і частинки, що дозволяє їм «тунелювати» крізь бар'єри, які зазвичай їх зупиняють. Вивчаючи легкість, з якою електрони можуть тунелювати крізь матеріал, дослідники дізнаються, наскільки сильно вони... пов'язані всередині нього

У цьому випадку команда тунелювала електрони між двома шарами MATTG, щоб виміряти його надпровідний стан.

Однак цей метод сам по собі не завжди доводить надпровідність матеріалу, що робить пряме вимірювання надзвичайно важливим, але водночас складним. Тому команда поєднала тунельну спектроскопію з вимірюваннями електротранспорту, які відстежують, як струм рухається через матеріал, одночасно контролюючи його опір.

Команда використала цей підхід на MATTG та чітко визначила надпровідну тунельну щілину, яка з'являлася лише тоді, коли матеріал досягав нульового опору.

При зміні температури та магнітного поля ця щілина демонструвала різку V-подібну криву, а не гладкий, плоский візерунок, який зазвичай спостерігається у звичайних надпровідниках. Згідно з дослідженням, унікальна низькоенергетична надпровідна щілина зникає при критичній температурі та магнітному полі надпровідності.

Різноманітна форма вказує на новий механізм, що лежить в основі надпровідності MATTG, який, хоча й невідомий, чітко показує, що матеріал насправді поводиться інакше, ніж будь-який звичайний надпровідник.

У більшості надпровідників електрони утворюють пари через коливання в навколишній атомній решітці, які зближують їх. Але в MATTG, за словами Парка, спарювання може бути зумовлене сильною електронною взаємодією, що означає, що «електрони самі допомагають один одному утворювати пари, утворюючи надпровідний стан зі спеціальною симетрією».

Метод, який дозволив команді безпосередньо спостерігати надпровідну щілину, поєднання тунельної спектроскопії та транспортних вимірювань, тепер буде використаний для вивчення різних скручених та шаруватих матеріалів.

Завдяки цій установці, яка дозволяє команді «ідентифікувати та вивчати основні електронні структури надпровідності та інших квантових фаз у міру їх виникнення в межах одного зразка», Парк зазначив, що «цей прямий огляд може показати, як електрони утворюють пари та конкурують з іншими станами, прокладаючи шлях для розробки та контролю нових надпровідників та квантових матеріалів, які одного дня можуть живити більш ефективні технології або квантові комп'ютери».

Вони також використовуватимуть експериментальну установку для детальнішого вивчення MATTG, а також інших 2D-матеріалів, щоб знайти нових, перспективних кандидатів для передових технологій.

«Добре розуміння одного нетрадиційного надпровідника може допомогти нам зрозуміти решту», — сказав старший автор дослідження, Харілло-Ерреро, професор фізики імені Сесіла та Іди Грін у Массачусетському технологічному інституті. «Це розуміння може допомогти в розробці надпровідників, які працюють, наприклад, за кімнатної температури, що є свого роду Святим Граалем усієї галузі».

Роль квантової геометрії у створенні надплинних електронів

Хоча останнє відкриття MIT щодо тришарового графену з магічним кутом знаменує собою значний крок до розуміння нетрадиційної надпровідності, додаткові дослідження також допомагають прояснити ключові деталі, такі як те, як легко електронні пари протікають через ці матеріали.

Відомо, що електрони в надпровідних матеріалах рухаються з нульовим тертям, але те, наскільки легко можуть переміщуватися електронні пари, залежить від таких факторів, як їхня щільність. Термін «надплинна жорсткість» описує, наскільки стійка надпровідна система до змін потоку її електронних пар, що робить її ключовим показником надпровідності.

Раніше цього року фізики з Массачусетського технологічного інституту та Гарвардського університету безпосередньо виміряли надплинну жорсткість у графені з магічним кутом⁴ щоб краще зрозуміти, як матеріал проявляє надпровідність. 

Метою цього дослідження було визначити механізм, відповідальний за надпровідність у графені з магічним кутом, який головним чином визначається квантовою геометрією або концептуальною «формою» квантових станів у матеріалі.

Тепер, щоб безпосередньо виміряти жорсткість надплинної рідини, команда розробила нову експериментальну методику, яка також може бути використаним провести аналогічні вимірювання інших двовимірних надпровідних матеріалів, яких «існує ціла родина… що чекає на дослідження».

У таких матеріалах, як MATBG, спарювання електронів, також відомих як куперівські пари, може утворювати надплинну рідину, тобто вони можуть рухатися крізь матеріал як струм без зусиль. Але хоча вони не мають опору, для руху струму все ж потрібно застосувати певний поштовх у вигляді електричного поля.

"Надплинна жорсткість стосується того, наскільки легко змусити ці частинки рухатися, щоб викликати надпровідність."

– Співавтор дослідження Джоел Ван, науковий співробітник Дослідницької лабораторії електроніки Массачусетського технологічного інституту (RLE))

Цю надплинну жорсткість зазвичай вимірюють за допомогою методів, що поміщають надпровідний матеріал у мікрохвильовий резонатор – пристрій, що резонує на мікрохвильових частотах. У мікрохвильовому резонаторі матеріал змінює як резонансну частоту, так і кінетичну індуктивність пропорційно до своєї надплинної жорсткості.

Але ці методи були сумісні зі зразками, які лише в 10-100 разів більші та товстіші за MATBG, а це означає, що потрібен новий підхід для вимірювання надплинної жорсткості в атомарно тонких надпровідниках.

Тепер завдання зробити це з надзвичайно делікатним матеріалом, таким як MATBG, полягає в тому, щоб прикріпити його до поверхні мікрохвильового резонатора, не порушуючи його гладкості. Цей означає створення «ідеально безвтратного, тобто надпровідного, контакту між двома матеріалами», інакше надісланий мікрохвильовий сигнал буде деградований або просто відскочить назад.

Таким чином, Спочатку команда зібрала MATBG, використовуючи стандартні методи виготовлення, а потім уклала його в корпус. між двома ізоляційними шарами гексагонального нітриду бору для збереження його делікатної атомної структури та власних властивостей.

Резонатор був переважно алюмінієвим, з невеликою кількістю MATBG, доданою на кінець. Щоб контактувати з MATBG, команда дуже гостро протравила його, оголивши бік щойно вирізаного MATBG, до якого був доданий алюміній. було депоновано «створити хороший контакт і сформувати алюмінієвий вивід», який був підключений до більшого алюмінієвого мікрохвильового резонатора. 

Команда надіслала мікрохвильовий сигнал через цей резонатор, виміряла результуючий зсув його резонансної частоти та визначила кінетичну індуктивність MATBG. Після перетворення виміряної індуктивності на значення надплинної жорсткості команда виявила, що вона набагато більша, ніж передбачали б традиційні теорії надпровідності.

"Ми спостерігали десятикратне збільшення жорсткості надплинної рідини порівняно з традиційними очікуваннями, причому температурна залежність узгоджується з тим, що передбачає теорія квантової геометрії.«, – сказала співавторка дослідження Міуко Танака.»Це був «незаперечний доказ», який вказував на роль квантової геометрії в регулюванні надплинної жорсткості цього двовимірного матеріалу."

Інвестування в надпровідні технології

Американська корпорація надпровідників (AMSC ) – це енергетична технологічна компанія, яка виробляє передові надпровідникові системи. Вона зосереджена на комерціалізації існуючих надпровідних технологій та їх застосуванні в реальних енергомережах та морських сферах.

AMSC є провідним постачальником рішень для забезпечення стійкості електроенергії мегаватного масштабу, включаючи Gridtec, Marinetec та Windtec. 

Завдяки цим рішенням компанія надає передові мережеві системи для оптимізації продуктивності, ефективності та надійності мережі, рішення для керування двигунами та живленням для підвищення якості електроенергії та безпеки експлуатації, а також електронні системи та керування вітровими турбінами.