Korte elektriske pulser slår superledning av og på i magisk vinkelgrafen

Superledning kan slås på og av i "magisk vinkel" grafen ved hjelp av en kort elektrisk puls, ifølge nytt arbeid fra forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT). Til nå kunne slik veksling bare oppnås ved å sveipe et kontinuerlig elektrisk felt over materialet. Det nye funnet kan hjelpe i utviklingen av ny superledende elektronikk som minneelementer for bruk i todimensjonale (2D) materialbaserte kretser.

Grafen er en 2D-krystall av karbonatomer arrangert i et bikakemønster. Selv på egen hånd har dette såkalte "vidundermaterialet" mange eksepsjonelle egenskaper, inkludert høy elektrisk ledningsevne da ladningsbærere (elektroner og hull) zoomer gjennom karbongitteret i svært høye hastigheter.

I 2018 ble forskere ledet av Pablo Jarillo-Herrero fra MIT fant ut at når to slike ark plasseres oppå hverandre med en liten vinkelfeil, blir ting enda mer fascinerende. I denne vridde tolagskonfigurasjonen danner arkene en struktur kjent som et moiré-supergitter, og når vridningsvinkelen mellom dem når den (teoretisk forutsagte) "magiske vinkelen" på 1.08°, begynner materialet å vise egenskaper som superledning ved lave temperaturer – det vil si at den leder strøm uten motstand.

Ved denne vinkelen endres måten elektronene beveger seg på i de to koblede arkene fordi de blir tvunget til å organisere seg med samme energi. Dette fører til "flate" elektroniske bånd, der elektrontilstander har nøyaktig samme energi til tross for at de har forskjellige hastigheter. Denne flate båndstrukturen gjør elektroner dispersjonsløse – det vil si at deres kinetiske energi blir fullstendig undertrykt og de kan ikke bevege seg i moirégitteret. Resultatet er at partiklene bremser nesten opp og blir lokaliserte på bestemte posisjoner langs de koblede arkene. Dette gjør dem i stand til å samhandle sterkt med hverandre, og danner parene som er et kjennetegn på superledning.

MIT-teamet har nå oppdaget en ny måte å kontrollere grafen med magisk vinkel ved å være oppmerksom på justeringen når den er klemt mellom to lag med sekskantet bornitrid (hBN, en 2D-isolator). Forskerne justerte det første laget av hBN nøyaktig med det øverste grafenarket, mens det andre laget ble forskjøvet med en vinkel på 30° i forhold til det nederste grafenarket. Med dette arrangementet kunne de konstruere bistabil oppførsel der materialet kan sitte i en av to stabile elektroniske tilstander, slik at superledningsevnen kan slås på eller av med en kort elektrisk puls.

"Overraskende nok eksisterer denne bistabiliteten samtidig uten å forstyrre oppførselen til magisk vinkelgrafen," forklarer hovedforfatter Dahlia Klein. "Dette systemet er et sjeldent eksempel på en diskret bryter for å slå superledning av og på med bare en elektrisk puls - noe som kan tillate det å brukes som en ikke-flyktig superledende minneenhet."

Magisk-vinkel grafen bytter fra superleder til ferromagnet

Et slikt minneelement kan inkorporeres i fremtidige 2D-materialbaserte kretser, legger hun til.

Mens forskerne er usikre på nøyaktig hva som muliggjør denne omskiftbare superledningsevnen, mistenker de at det er relatert til den spesielle justeringen av det vridde grafenet til begge hBN-lagene. Teamet har sett lignende bistabiliteter før i uvridd tolagsgrafen på linje med dets sandwichende hBN-lag og håper derfor å løse dette puslespillet i fremtidig arbeid. "Det er en pågående innsats mellom både eksperimentalister og teoretikere for å finne nøyaktig hvordan disse hBN-grafen-justeringene gir opphav til den uventede oppførselen vi har observert," forteller Klein Fysikkens verden.

Arbeidet er detaljert i Natur Nanoteknologi.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/short-electrical-pulses-switch-superconductivity-on-and-off-in-magic-angle-graphene/