Krótkie impulsy elektryczne włączają i wyłączają nadprzewodnictwo w grafenie o magicznym kącie

Nadprzewodnictwo można włączać i wyłączać w grafenie o „magicznym kącie” za pomocą krótkiego impulsu elektrycznego, zgodnie z nową pracą naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT). Do tej pory takie przełączanie można było osiągnąć jedynie poprzez przemiatanie ciągłego pola elektrycznego w poprzek materiału. Nowe odkrycie może pomóc w opracowaniu nowatorskiej elektroniki nadprzewodzącej, takiej jak elementy pamięci, do wykorzystania w dwuwymiarowych (2D) obwodach opartych na materiałach.

Grafen to dwuwymiarowy kryształ atomów węgla ułożonych we wzór plastra miodu. Nawet sam ten tak zwany „cudowny materiał” ma wiele wyjątkowych właściwości, w tym wysoką przewodność elektryczną, ponieważ nośniki ładunku (elektrony i dziury) przemieszczają się przez siatkę węglową z bardzo dużą prędkością.

W 2018 roku naukowcy pod kierunkiem Pabla Jarillo-Herrero z MIT odkryli, że kiedy dwa takie arkusze są umieszczone jeden na drugim z niewielkim przesunięciem kąta, rzeczy stają się jeszcze bardziej fascynujące. W tej skręconej dwuwarstwowej konfiguracji arkusze tworzą strukturę znaną jako supersieć mory, a kiedy kąt skręcenia między nimi osiąga (teoretycznie przewidywany) „magiczny kąt” 1.08°, materiał zaczyna wykazywać właściwości, takie jak nadprzewodnictwo w niskich temperaturach – czyli przewodzi prąd elektryczny bez żadnego oporu.

Pod tym kątem zmienia się sposób, w jaki elektrony poruszają się w dwóch sprzężonych arkuszach, ponieważ są one zmuszone do organizowania się przy tej samej energii. Prowadzi to do „płaskich” pasm elektronicznych, w których stany elektronowe mają dokładnie taką samą energię, pomimo różnych prędkości. Ta płaska struktura pasmowa sprawia, że ​​elektrony są bezdyspersyjne – to znaczy ich energia kinetyczna zostaje całkowicie stłumiona i nie mogą one poruszać się w siatce mory. W rezultacie cząstki zwalniają prawie do zatrzymania i są zlokalizowane w określonych pozycjach wzdłuż połączonych arkuszy. To umożliwia im silną interakcję ze sobą, tworząc pary, które są cechą charakterystyczną nadprzewodnictwa.

Zespół MIT odkrył teraz nowy sposób kontrolowania grafenu pod kątem magicznym, zwracając uwagę na jego wyrównanie, gdy jest umieszczony pomiędzy dwiema warstwami heksagonalnego azotku boru (hBN, izolator 2D). Naukowcy wyrównali pierwszą warstwę hBN dokładnie z górnym arkuszem grafenu, podczas gdy druga warstwa została przesunięta o kąt 30° w stosunku do dolnego arkusza grafenu. Dzięki temu układowi mogliby opracować bistabilne zachowanie, w którym materiał może znajdować się w jednym z dwóch stabilnych stanów elektronicznych, umożliwiając włączanie i wyłączanie jego nadprzewodnictwa za pomocą krótkiego impulsu elektrycznego.

„Co zaskakujące, ta bistabilność współistnieje bez zakłócania zachowania grafenu pod kątem magicznym” – wyjaśnia główny autor Dalia Klein. „Ten system jest rzadkim przykładem dyskretnego przełącznika do włączania i wyłączania nadprzewodnictwa za pomocą impulsu elektrycznego – coś, co mogłoby pozwolić na użycie go jako nieulotnej nadprzewodzącej pamięci”.

Grafen pod magicznym kątem przełącza się z nadprzewodnika na ferromagnetyk

Dodaje, że taki element pamięci mógłby zostać włączony do przyszłych obwodów opartych na materiałach 2D.

Chociaż naukowcy nie są pewni, co dokładnie umożliwia to przełączalne nadprzewodnictwo, podejrzewają, że jest to związane ze specjalnym wyrównaniem skręconego grafenu z obiema warstwami hBN. Zespół zaobserwował już podobne bistabilności w nieskręconym dwuwarstwowym grafenie dopasowanym do warstw hBN i dlatego ma nadzieję rozwiązać tę zagadkę w przyszłych pracach. „Zarówno eksperymentatorzy, jak i teoretycy nieustannie podejmują wysiłki, aby dokładnie określić, w jaki sposób te wyrównania hBN-grafen powodują nieoczekiwane zachowanie, które zaobserwowaliśmy” – mówi Klein Świat Fizyki.

Praca jest szczegółowo opisana w Natura Nanotechnologia.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/short-electrical-pulses-switch-superconductivity-on-and-off-in-magic-angle-graphene/