Поставете един слой въглерод върху друг под лек ъгъл и се появяват забележителни свойства, включително високо ценения поток на ток без съпротивление, известен като свръхпроводимост.

каскада

Сега екип от изследователи от Принстън е търсил произхода на това необичайно поведение в материал, известен като усукан двуслоен графен с магически ъгъл, и е открил подписи на каскада от енергийни преходи, които могат да помогнат да се обясни как възниква свръхпроводимост в този материал Докладът е публикуван онлайн на 11 юни в списание Nature.

"Това проучване показва, че електроните в графиен с магически ъгъл са в силно корелирано състояние, дори преди материалът да стане свръхпроводящ", казва Али Яздани, професор по физика от 1909 г., ръководител на екипа, направил откритието. "Внезапното изместване на енергиите, когато добавим или премахнем електрон в този експеримент, осигурява директно измерване на силата на взаимодействието между електроните."

Това е важно, тъй като тези енергийни скокове осигуряват прозорец към колективното поведение на електроните, като свръхпроводимост, които се появяват в усукан двуслоен графен с магически ъгъл, материал, съставен от два слоя графен, в който горният лист се завърта под лек ъгъл спрямо другия.

В ежедневните метали електроните могат да се движат свободно през материала, но сблъсъците между електроните и вибрациите на атомите пораждат съпротивление и загуба на част от електрическата енергия като топлина - поради което електронните устройства се затоплят по време на употреба.

В свръхпроводящите материали електроните си сътрудничат. „Електроните танцуват един с друг“, каза Биао Лиан, постдокторант в Принстънския център за теоретични науки, който ще стане асистент по физика тази есен и един от съавторите на изследването. "Те трябва да си сътрудничат, за да влязат в такова забележително състояние."

По някои мерки графенът с магически ъгъл, открит преди две години от Пабло Ярило-Ереро и неговия екип от Масачузетския технологичен институт (MIT), е един от най-силните свръхпроводници, откривани някога. Свръхпроводимостта е относително силна в тази система, въпреки че се появява, когато има много малко свободно движещи се електрони.

Изследователите са се заели да изследват как уникалната кристална структура на графен с магически ъгъл дава възможност за колективно поведение. Електроните имат не само отрицателен заряд, но и две други характеристики: ъглов импулс или „въртене“ и възможни движения в кристалната структура, известни като състояния на „долина“. Комбинациите от спин и долина съставят различните „вкусове“ на електроните.

Екипът особено искаше да разбере как тези вкусове влияят на колективното поведение, така че те проведоха своите експерименти при температури малко над точката, при която електроните стават силно взаимодействащи, което изследователите оприличават на родителската фаза на поведението.

„Измерихме силата между електроните в материала при по-високи температури с надеждата, че разбирането на тази сила ще ни помогне да разберем свръхпроводника, който той става при по-ниски температури“, каза Дилън Уонг, постдокторант в Принстънския център за сложни материали и съавтор на автор.

Те използваха инструмент, наречен сканиращ тунелен микроскоп, в който проводящ метален връх може да добави или премахне електрон от магическия ъгъл графен и да открие полученото енергийно състояние на този електрон.

Тъй като силно взаимодействащите електрони се противопоставят на добавянето на нов електрон, добавянето на допълнителен електрон струва малко енергия. Изследователите могат да измерват тази енергия и от нея да определят силата на силата на взаимодействие.

„Буквално вкарвам електрон и виждам колко енергия струва, за да вкарам този електрон в кооперативната баня“, каза Кевин Нуколс, студент в катедрата по физика, също съавтор на автора.

Екипът установи, че добавянето на всеки електрон води до скок в количеството енергия, необходимо за добавяне на друг - което не би било така, ако електроните могат да влязат в кристала и след това да се движат свободно между атомите. Получената каскада от енергийни преходи е резултат от енергиен скок за всеки от вкусовете на електроните - тъй като електроните трябва да приемат възможно най-ниското енергийно състояние, като същевременно не са със същата енергия и аромат като другите електрони на същото място в кристал.

Ключов въпрос в тази област е как силата на взаимодействията между електроните се сравнява с енергийните нива, които електроните биха имали при липса на такива взаимодействия. В най-често срещаните и нискотемпературни свръхпроводници това е малка корекция, но в редки високотемпературни свръхпроводници се смята, че взаимодействията между електроните променят драстично енергийните нива на електроните. Свръхпроводимостта при такова драматично влияние на взаимодействията между електроните е много слабо разбрана.

Количествените измервания на внезапните отмествания, открити от изследователите, потвърждават картината, че графенът с магически ъгъл принадлежи към класа свръхпроводници със силно взаимодействие между електроните.

Графенът е тънък слой от един атом въглеродни атоми, който поради химическите свойства на въглерода се подрежда в плоска решетка от пчелна пита. Изследователите получават графен, като вземат тънък блок графит - същия чист въглерод, използван в моливите - и отстраняват горния слой с помощта на лепкава лента.

След това подреждат два тънки атома слоя и завъртат горния слой с точно 1,1 градуса - магическия ъгъл. По този начин материалът става свръхпроводящ или постига необичайни изолационни или магнитни свойства.

"Ако сте на 1,2 градуса, това е лошо. Това е, просто скромен метал. Няма нищо интересно, което се случва. Но ако сте на 1,1 градуса, виждате цялото това интересно поведение", каза Nuckolls.

Това несъответствие създава подреждане, известно като модел от моаре, заради приликата му с френски плат.

За да проведат експериментите, изследователите построиха сканиращ тунелен микроскоп в мазето на физическата сграда на Принстън, Jadwin Hall. Толкова висок, че заема два етажа, микроскопът е разположен на върха на гранитна плоча, която се носи по въздушните извори. „Трябва да изолираме оборудването много точно, защото е изключително чувствително към вибрации“, каза Myungchul Oh, постдокторант и съавтор на автора.

Dillon Wong, Kevin Nuckolls, Myungchul Oh и Biao Lian допринесоха еднакво за работата.

Допълнителен принос направи Yonglong Xie, който спечели докторска степен. през 2019 г. и сега е докторант в Харвардския университет; Sangjun Jeon, който сега е асистент в университета Chung-Ang в Сеул; Кенджи Ватанабе и Такаши Танигучи от Националния институт по материалознание (NIMS) в Япония; и професор по физика в Принстън Б. Андрей Берневиг.

Подобна каскада от електронни фазови преходи е забелязана в статия, публикувана едновременно в Nature на 11 юни от екип, ръководен от Шахал Илани от Научния институт на Вайцман в Израел и с участието на Джарило-Ереро и колеги от MIT, Такаши Танигучи и Кенджи Ватанабе от NIMS Япония и изследователи от Свободния университет в Берлин.

„Екипът на Вайцман наблюдаваше същите преходи, както ние с напълно различна техника“, каза Яздани. „Хубаво е да видим, че техните данни са съвместими както с нашите измервания, така и с нашата интерпретация.“