Korte elektriske impulser slår superledning til og fra i magisk vinkelgrafen

Korte elektriske impulser slår superledning til og fra i magisk vinkelgrafen

Tidsstempel: 22. februar 2023 kl. 11:00

Vinklen og justeringen af ​​hvert lag gør det muligt for forskerne at slå superledning til og fra med en kort elektrisk puls
Superledningsomskifter: Denne figur viser en enhed med to grafenlag (mørkegrå og indsat) mellem bornitridlag (blå og lilla). Vinklen og justeringen af ​​hvert lag gør det muligt for forskerne at slå superledning til og fra med en kort elektrisk impuls. (Med høflighed: Pablo Jarillo-Herrero, Dahlia Klein, Li-Qiao Xia, David MacNeill et. til)

Superledning kan tændes og slukkes i "magisk vinkel" grafen ved hjælp af en kort elektrisk puls, ifølge nyt arbejde fra forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT). Indtil nu kunne en sådan omskiftning kun opnås ved at feje et kontinuerligt elektrisk felt hen over materialet. Det nye fund kan hjælpe med udviklingen af ​​ny superledende elektronik såsom hukommelseselementer til brug i todimensionelle (2D) materialebaserede kredsløb.

Grafen er en 2D-krystal af kulstofatomer arrangeret i et bikagemønster. Selv i sig selv kan dette såkaldte "vidundermateriale" prale af mange exceptionelle egenskaber, herunder høj elektrisk ledningsevne, da ladningsbærere (elektroner og huller) zoomer gennem kulstofgitteret ved meget høje hastigheder.

I 2018 har forskere ledet af Pablo Jarillo-Herrero fra MIT fandt ud af, at når to sådanne ark placeres oven på hinanden med en lille vinkelforskydning, bliver tingene endnu mere fascinerende. I denne snoede dobbeltlagskonfiguration danner arkene en struktur kendt som et moiré-supergitter, og når snoningsvinklen mellem dem når den (teoretisk forudsagte) "magiske vinkel" på 1.08°, begynder materialet at vise egenskaber såsom superledning ved lave temperaturer – det vil sige, at den leder elektricitet uden modstand.

I denne vinkel ændres måden, hvorpå elektroner bevæger sig i de to koblede ark, fordi de er tvunget til at organisere sig ved samme energi. Dette fører til "flade" elektroniske bånd, hvor elektrontilstande har nøjagtig den samme energi på trods af at de har forskellige hastigheder. Denne flade båndstruktur gør elektroner dispersionsløse – det vil sige, at deres kinetiske energi bliver fuldstændig undertrykt, og de kan ikke bevæge sig i moiré-gitteret. Resultatet er, at partiklerne sænker sig næsten til standsning og bliver lokaliseret på bestemte positioner langs de koblede ark. Dette gør dem i stand til at interagere stærkt med hinanden og danner de par, der er et kendetegn for superledning.

MIT-teamet har nu opdaget en ny måde at kontrollere grafen med magisk vinkel ved at være opmærksom på dets justering, når det er klemt mellem to lag af sekskantet bornitrid (hBN, en 2D-isolator). Forskerne justerede det første lag af hBN nøjagtigt med det øverste grafenark, mens det andet lag var forskudt med en vinkel på 30° i forhold til det nederste grafenark. Med dette arrangement kunne de konstruere bistabil adfærd, hvor materialet kan sidde i en af ​​to stabile elektroniske tilstande, hvilket tillader dets superledning at blive tændt eller slukket med en kort elektrisk impuls.

"Overraskende nok eksisterer denne bistabilitet side om side uden at forstyrre opførselen af ​​den magiske vinkel grafen," forklarer hovedforfatter Dahlia Klein. "Dette system er et sjældent eksempel på en diskret switch til at tænde og slukke for superledning med kun en elektrisk impuls - noget der kunne gøre det muligt at bruge det som en ikke-flygtig superledende hukommelsesenhed."

Sådan et hukommelseselement kunne inkorporeres i fremtidige 2D-materialebaserede kredsløb, tilføjer hun.

Mens forskerne er usikre på præcis, hvad der muliggør denne omskiftelige superledning, formoder de, at det er relateret til den specielle justering af den snoede grafen til begge hBN-lag. Holdet har set lignende bistabiliteter før i ikke-snoet tolagsgrafen, der er tilpasset dets sandwich-hBN-lag og håber derfor at løse dette puslespil i fremtidigt arbejde. "Der er en løbende indsats mellem både eksperimentelister og teoretikere for at finde ud af præcis, hvordan disse hBN-grafen-justeringer giver anledning til den uventede adfærd, vi har observeret," fortæller Klein Fysik verden.

Arbejdet er detaljeret i Natur Nanoteknologi.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden