Kurze elektrische Pulse schalten die Supraleitung in Graphen mit magischem Winkel ein und aus

Laut einer neuen Arbeit von Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) kann die Supraleitung in Graphen mit „magischem Winkel“ mit einem kurzen elektrischen Impuls ein- und ausgeschaltet werden. Bisher konnte ein solches Schalten nur erreicht werden, indem ein kontinuierliches elektrisches Feld über das Material gezogen wurde. Die neue Erkenntnis könnte bei der Entwicklung neuartiger supraleitender Elektronik wie Speicherelementen zur Verwendung in zweidimensionalen (2D) materialbasierten Schaltungen helfen.

Graphen ist ein 2D-Kristall aus Kohlenstoffatomen, die in einem Wabenmuster angeordnet sind. Dieses sogenannte „Wundermaterial“ weist schon alleine viele außergewöhnliche Eigenschaften auf, darunter eine hohe elektrische Leitfähigkeit, da Ladungsträger (Elektronen und Löcher) mit sehr hoher Geschwindigkeit durch das Kohlenstoffgitter sausen.

Im Jahr 2018 führten Forscher durch Pablo Jarillo-Herrero vom MIT fanden heraus, dass die Dinge noch faszinierender werden, wenn zwei solcher Blätter mit einem kleinen Winkelversatz übereinander gelegt werden. In dieser verdrillten Doppelschichtkonfiguration bilden die Schichten eine Struktur, die als Moiré-Übergitter bekannt ist, und wenn der Verdrillungswinkel zwischen ihnen den (theoretisch vorhergesagten) „magischen Winkel“ von 1.08° erreicht, beginnt das Material Eigenschaften wie Supraleitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen zu zeigen – das heißt, es leitet den Strom ohne Widerstand.

Bei diesem Winkel ändert sich die Art und Weise, wie sich Elektronen in den beiden gekoppelten Schichten bewegen, weil sie gezwungen sind, sich mit der gleichen Energie zu organisieren. Dies führt zu „flachen“ elektronischen Bändern, in denen Elektronenzustände trotz unterschiedlicher Geschwindigkeiten genau die gleiche Energie haben. Diese flache Bandstruktur macht Elektronen dispersionslos – das heißt, ihre kinetische Energie wird vollständig unterdrückt und sie können sich nicht im Moiré-Gitter bewegen. Das Ergebnis ist, dass die Partikel fast zum Stillstand kommen und an bestimmten Positionen entlang der gekoppelten Schichten lokalisiert werden. Dadurch können sie stark miteinander wechselwirken und die Paare bilden, die ein Kennzeichen der Supraleitung sind.

Das MIT-Team hat nun einen neuen Weg entdeckt, um Graphen mit magischem Winkel zu steuern, indem es auf seine Ausrichtung achtet, wenn es zwischen zwei Schichten aus hexagonalem Bornitrid (hBN, einem 2D-Isolator) eingebettet ist. Die erste hBN-Schicht richteten die Forscher exakt mit der oberen Graphen-Schicht aus, während die zweite Schicht um einen Winkel von 30° zur unteren Graphen-Schicht versetzt war. Mit dieser Anordnung konnten sie ein bistabiles Verhalten entwickeln, bei dem das Material in einem von zwei stabilen elektronischen Zuständen sitzen kann, wodurch seine Supraleitfähigkeit mit einem kurzen elektrischen Impuls ein- oder ausgeschaltet werden kann.

„Überraschenderweise koexistiert diese Bistabilität, ohne das Verhalten des Graphens mit dem magischen Winkel zu stören“, erklärt der Hauptautor Dahlie Klein. „Dieses System ist ein seltenes Beispiel für einen diskreten Schalter zum Ein- und Ausschalten der Supraleitung mit nur einem elektrischen Impuls – etwas, das es ermöglichen könnte, es als nichtflüchtiges supraleitendes Speichergerät zu verwenden.“

Graphen im magischen Winkel wechselt vom Supraleiter zum Ferromagneten

Ein solches Speicherelement könnte in zukünftige 2D-materialbasierte Schaltkreise integriert werden, fügt sie hinzu.

Während die Forscher sich nicht sicher sind, was genau diese schaltbare Supraleitung ermöglicht, vermuten sie, dass dies mit der speziellen Ausrichtung des verdrillten Graphens zu beiden hBN-Schichten zusammenhängt. Das Team hat zuvor ähnliche Bistabilitäten in unverdrilltem zweischichtigem Graphen gesehen, das an seinen sandwichartigen hBN-Schichten ausgerichtet ist, und hofft daher, dieses Rätsel in zukünftigen Arbeiten zu lösen. „Sowohl Experimentatoren als auch Theoretiker sind ständig bemüht, genau herauszufinden, wie diese hBN-Graphen-Ausrichtungen zu dem unerwarteten Verhalten führen, das wir beobachtet haben“, sagt Klein Physik-Welt.

Die Arbeit ist detailliert in Natur Nanotechnologie.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/short-electrical-pulses-switch-superconductivity-on-and-off-in-magic-angle-graphene/