Korta elektriska pulser slår på och av supraledning i grafen med magisk vinkel

Supraledning kan slås på och av i "magisk vinkel" grafen med en kort elektrisk puls, enligt nytt arbete av forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT). Hittills har sådan omkoppling endast kunnat uppnås genom att svepa ett kontinuerligt elektriskt fält över materialet. Den nya upptäckten kan hjälpa till i utvecklingen av ny supraledande elektronik såsom minneselement för användning i tvådimensionella (2D) materialbaserade kretsar.

Grafen är en 2D-kristall av kolatomer arrangerade i ett bikakemönster. Även i sig självt har detta så kallade "undermaterial" många exceptionella egenskaper, inklusive hög elektrisk ledningsförmåga då laddningsbärare (elektroner och hål) zoomar igenom kolgittret i mycket höga hastigheter.

Under 2018 ledde forskare av Pablo Jarillo-Herrero från MIT fann att när två sådana ark placeras ovanpå varandra med en liten vinkelförskjutning, blir saker ännu mer fascinerande. I denna tvinnade dubbelskiktskonfiguration bildar arken en struktur som kallas ett moiré-supergitter, och när vridningsvinkeln mellan dem når den (teoretiskt förutsagda) "magiska vinkeln" på 1.08°, börjar materialet uppvisa egenskaper som supraledning vid låga temperaturer – det vill säga den leder elektricitet utan något motstånd.

Vid denna vinkel förändras sättet på vilket elektroner rör sig i de två kopplade arken eftersom de tvingas organisera sig med samma energi. Detta leder till "platta" elektroniska band, där elektrontillstånd har exakt samma energi trots att de har olika hastigheter. Denna platta bandstruktur gör elektroner dispersionsfria – det vill säga deras kinetiska energi blir helt undertryckt och de kan inte röra sig i moirégittret. Resultatet är att partiklarna saktar nästan till att stanna och blir lokaliserade på specifika positioner längs de kopplade arken. Detta gör det möjligt för dem att interagera starkt med varandra och bilda paren som är ett kännetecken för supraledning.

MIT-teamet har nu upptäckt ett nytt sätt att kontrollera grafen med magisk vinkel genom att vara uppmärksam på dess inriktning när den är inklämd mellan två lager av hexagonal bornitrid (hBN, en 2D-isolator). Forskarna justerade det första lagret av hBN exakt med det översta grafenarket, medan det andra lagret var förskjutet med en vinkel på 30° i förhållande till det nedre grafenarket. Med detta arrangemang kunde de konstruera bistabilt beteende där materialet kan sitta i ett av två stabila elektroniska tillstånd, vilket gör att dess supraledning kan slås på eller av med en kort elektrisk puls.

"Overraskande nog existerar denna bistabilitet utan att störa beteendet hos magisk vinkelgrafen", förklarar huvudförfattaren Dahlia Klein. "Det här systemet är ett sällsynt exempel på en diskret omkopplare för att slå på och av supraledning med bara en elektrisk puls - något som skulle kunna göra det möjligt att använda den som en icke-flyktig supraledande minnesenhet."

Magisk vinkelgrafen växlar från supraledare till ferromagnet

Ett sådant minneselement skulle kunna inkorporeras i framtida 2D-materialbaserade kretsar, tillägger hon.

Medan forskarna är osäkra på exakt vad som möjliggör denna omkopplingsbara supraledning, misstänker de att det är relaterat till den speciella inriktningen av den vridna grafenen till båda hBN-lagren. Teamet har sett liknande bistabiliteter tidigare i otvinnad dubbelskiktsgrafen anpassad till dess sandwiching hBN-lager och hoppas därför kunna lösa detta pussel i framtida arbete. "Det finns en pågående ansträngning mellan både experimentalister och teoretiker för att fastställa exakt hur dessa hBN-grafen-anpassningar ger upphov till det oväntade beteende vi har observerat," säger Klein Fysikvärlden.

Arbetet är detaljerat i Natur nanoteknik.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/short-electrical-pulses-switch-superconductivity-on-and-off-in-magic-angle-graphene/