MIT bekræfter usædvanlig superledning i MATTG

Superledning opstår, når elektroner parrer sig, snarere end at sprede sig, som de gør i normale ledere eller i hverdagsmateriale. Disse parrede elektroner kaldes “Cooper-par”, som skaber en perfekt, modstandsfridrift af strøm.

Dette bemærkelsesværdige egenskab er observeret i superledere, når de afkøles under en bestemt “kritisk temperatur”. Ud over at tillade en strøm at flyde uendeligt uden energitab, kan disse materialer også afvise magnetfelt, hvilket giver dem evnen til at svæve.

mens konventionelle superledere, såsom de lavet af aluminium, kræver meget lave temperaturer, arbejder forskere aktivt på at udvikle materialer, der kan superlede ved højere, mere praktiske temperaturer, et skridt, der kunne revolutionere energi- og kvante-teknologier.

Forskere på MIT har nu opnået dette gennembrud. De har observeret en karakteristisk V-formet energi-lukke, hvorfra der tyder på usædvanlig superledning i magic-vinkel grafen, hvilket markerer et vigtigt skridt mod rumtemperatur-superledere.

Magic-Vinkel Grafen & ‘Twistronics’: Hvordan Lag-Rotation Ændrer Fysik

Siden opdagelsen af “magic-vinkel” grafen, har det skabt megen buzz i den videnskabelige verden, med forskere, der afslører en mængde eksotiske kvante-fænomener, der spænder fra korrelerede isolerende tilstande og usædvanlig superledning til justerbar magnetisme og topologiske faser.

I 2018 skabte og observerede et hold af fysikere på MIT, ledet af Pablo Jarillo-Herrero, effekterne af magic-vinkel grafen.

De detekterede usædvanlige elektroniske egenskaber, såsom superledning, når to grafen-lag var stablet i en meget bestemt vinkel. Denne twisted-struktur kaldes magic-vinkel twisted bilayer grafen, eller MATBG.

Grafen er et enkelt lag af carbon, der er kun ét atom tykt og har en hexagonal gitter. Arrangementet af carbon-atomer i en hexagonal mønster ligner kyllingetråd og udviser bemærkelsesværdig styrke, holdbarhed og evne til at lede varme og elektricitet.

Bilayer grafen, derimod, er et lag af to lag, hvor de to gitter er orienteret på en bestemt måde. 

I ren bilayer grafen, observerede Jarillo-Herrero og hans team Mott-isolator-adfærd (en fænomen, hvor et materiale bliver en isolator på grund af stærk elektron-elektron-repulsion, på trods af at det forventes at være en leder) når de to lag var twisted i en magic-vinkel.

Dette ledte til udviklingen af “twistronics”, en lovende ny teknik til at justere de elektroniske egenskaber af grafen ved at rotere nærliggende lag af materialet. 

Metoden blev derefter brugt af et hold af forskere fra MIT, Harvard University og NIMS i Japan til at gøre den twisted bilayer superledende ved at anvende et elektrisk felt.

Over tid har mange forskere undersøgt forskellige multilag grafen-strukturer, der har vist tegn på usædvanlig superledning.

Tilbage i 2021 lykkedes det for fysikere på Harvard at stable tre lag af grafen og twistede dem i magic-vinklen for at producese et tre-lags system, der udviser robust superledning¹ ved højere temperaturer end mange dobbelt-stablede grafen-systemer. Ved at være følsom over for et eksternt anvendt elektrisk felt, gjorde det også det muligt for holdet at justere superledning ved at justere feltets styrke.

Dette eksperiment hjalp videnskabsfolk med at forstå, at trilagets superledning skyldes stærke elektron-elektron-interaktioner, der gør den mere robust over for højere temperaturer. 

Samme år rapporterede forskere på Princeton en underlig lighed mellem magic grafens superledning og den i højtemperatur-superledere.² Ved hjælp af en scanning tunnelmikroskop (STM) fandt de, at parrede elektroner havde en endelig vinkel-momentum. Den anden havde med, hvordan superledningens adfærd ændrer sig, når superledningstilstanden kvæles ved at øge temperaturen eller anvende et magnetfelt. mens elektroner afparres i konventionelle superledere, i usædvanlige superledere, er der stadig en vis korrelation.

MIT Baner Vej for Rumtemperatur-Superledere

Evnen til, at superledere kan lede elektricitet med nul modstand, gør dem centralt for teknologier som MRI-scannere, kraftoverføring og -lagring, avanceret beregning og partikelacceleratorer.

Men konventionelle superledere fungerer kun ved meget lave temperaturer. Så de skal holdes i specialiserede kølesystemer for at hjælpe dem med at opretholde deres superledende tilstand.

Hvis disse materialer kunne superlede ved højere, mere tilgængelige temperaturer, kunne de gendefinere teknologiske systemer verden over. Med dette formål er videnskabsfolk på MIT ved at undersøge usædvanlige superledere der afviger fra traditionel adfærd.

For nylig observerede MIT-fysikere dette fænomen i “magic-vinkel” twisted tri-lag grafen (MATTG), hvilket giver direkte bekræftelse på, at MATTG kan huse usædvanlig superledning³.

Som Jeong Min Park, co-lead forfatter på studiet, bemærkede, i konventionelle superledere, er elektronerne i ‘Cooper-par’ meget langt fra hinanden, og svagt bundet, i modsætning til i magic-vinkel grafen, hvor “vi allerede kunne se tegn på, at disse par er meget tæt bundet, næsten som en molekyle. Der var hint om, at der var noget meget anderledes om dette materiale.”

mens tidligere studier gav hint, blev det ikke præcis bekræftet. Som studiet bemærkede, har forståelsen af superledningens natur i magic-vinkel grafen været udfordrende, med den primære vanskelighed ved at skelne superledningens lukke. 

MIT-holdet lykkedes dog med at måle MATTG’s superledning-lukke, hvilket afslørede styrken af dets superledende tilstand ved forskellige temperaturer. Det, de fandt, var en lukke i MATTG, der var helt anderledes end den i konventionelle superledere, hvilket tyder på, at MATTG’s superledning afhænger af en usædvanlig mekanisme.
Swipe to scroll →

Som studiets co-lead forfatter, Shuwen Sun, en ph.d.-studerende på MIT’s Department of Physics, bemærkede, der ikke er én, men mange forskellige mekanismer, der kan føre til superledning i materialer, og det er superledningens lukke, der giver en hint om, hvilken bestemt mekanisme, der fører til rumtemperatur-superledere, der kan revolutionere energi og teknologi.

“Når et materiale bliver superledende, bevæger elektronerne sig sammen som par snarere end enkeltvis, og der er en energi-lukke, der afspejler, hvordan de er bundet. Formen og symmetrien af denne lukke fortæller os den underliggende natur af superledningen.”

– Park

For at bevise deres opdagelse af en usædvanlig mekanisme, brugte holdet en ny eksperimentel system, der tillader dem at direkte observere, hvordan superledningens lukke dannes i 2D-materialer. 

For dette brugte forskerne tunnel-spektroskopi. I denne kvant-skala-teknik kan elektroner fungere både som bølger og som partikler, hvilket giver dem mulighed for at “tunnelere” gennem barrierer, der ellers ville stoppe dem. Ved at studere, hvor let elektroner kan tunnelere gennem et materiale, lærer forskerne, hvor stærkt de er bundet inde i det.

I dette tilfælde tunnelerede holdet elektroner mellem to lag af MATTG for at måle dets superledende tilstand.

Dette alene, dog, beviser ikke altid et materials superledning, hvilket gør direkte måling afgørende, men udfordrende. Så holdet kombinerede tunnel-spektroskopi med elektrisk transport-målinger, der sporer, hvordan strøm flyder gennem et materiale, mens de overvåger dets modstand.

Holdet brugte denne tilgang på MATTG og identificerede klart superledningens tunnel-lukke, der kun optrådte, når materialet nåede nul modstand.

Ved at ændre temperaturen og magnetfeltet, udviste denne lukke en skarp V-formet kurve snarere end den glatte, flade mønster, der normalt ses i konventionelle superledere. Ifølge studiet forsvinder den unikke lav-energi superledning-lukke ved superledningens kritiske temperatur og magnetfelt.

Den karakteristiske form peger på en ny mekanisme, der ligger til grund for MATTG’s superledning, hvilket, selvom den er ukendt, gør det klart, at materialet faktisk adfærer sig anderledes end noget konventionelt superleder.

I de fleste superledere parrer elektroner sig på grund af vibrationer i den omgivende atom-gitter, der skyder dem sammen. Men i MATTG, siger Park, kan paringen skyldes stærke elektroniske interaktioner, hvilket betyder “elektronerne selv hjælper hinanden med at parre sig, og danner en superledende tilstand med speciel symmetri.”

Den teknik, der tillod holdet at direkte observere superledningens lukke, kombinationen af tunnel-spektroskopi og transport-målinger, vil nu blive brugt til at studere forskellige twisted og lagde materialer.

Med denne opsætning, der giver holdet mulighed for at “identificere og studere de underliggende elektroniske strukturer af superledning og andre kvante-faser, mens de sker, inden for samme prøve,” bemærkede Park, at “denne direkte udsigt kan afsløre, hvordan elektroner parrer og konkurrerer med andre tilstande, og baner vejen for at designe og kontrollere nye superledere og kvante-materialer, der en dag kan drive mere effektive teknologier eller kvantecomputere.”

De vil også bruge den eksperimentelle opsætning til at studere MATTG samt andre 2D-materialer i større detalje for at finde nye, lovende kandidater til avancerede teknologier.

“At forstå én usædvanlig superleder meget godt, kan udløse vores forståelse af resten,” sagde studiets senior-forfatter, Jarillo-Herrero, der er Cecil og Ida Green Professor of Physics på MIT. “Denne forståelse kan vejlede designet af superledere, der fungerer ved rumtemperatur, hvilket er sorte grål i hele feltet.”

Rollen af Kvant-Geometri i at Gøre Elektroner Superfluide

mens MIT’s seneste opdagelse i magic-vinkel trilayer grafen markerer et stort skridt mod at forstå usædvanlig superledning, hjælper komplementære studier også med at udfylde vigtige detaljer, såsom hvordan let elektroner-par kan flyde gennem disse materialer.

Det er kendt, at elektroner i superledende materialer flyder med nul friktion, men hvor let elektroner-par kan flyde, afhænger af faktorer som deres tæthed. Begrebet “superfluid stivhed” beskriver, hvor modstandsdygtig en superledende system er over for ændringer i flyden af dens elektroner-par, hvilket gør det til en nøgle-indikator for superledning.

Tidligere på året målte fysikere på MIT og Harvard University direkte superfluid stivheden i magic-vinkel grafen⁴ for bedre at forstå, hvordan materialet superleder. 

Med dette studie var formålet at identificere mekanismen, der er ansvarlig for superledning i magic-vinkel grafen, der primært bestemmes af kvant-geometri, eller den konceptuelle ‘form’ af kvantetilstande i et materiale.

Nu, for at måle superfluid stivheden direkte, udviklede holdet en ny eksperimentel teknik, der også kan bruges til at lave lignende målinger af andre 2D-superledende materialer, af hvilke “der er en hel familie… der venter på at blive undersøgt.”

I materialer som MATBG, kan paringen af elektroner, aka Cooper-par, danne en superfluid, hvilket betyder, at de kan flyde gennem et materiale som en anstrengelsesløs strøm. Men selvom de ikke har nogen modstand, kræver det stadig en vis push for at få strømmen i gang i form af et elektrisk felt.

“Superfluid stivhed refererer til, hvor let det er at få disse partikler til at flytte, for at drive superledning.“

– Studiets co-lead forfatter, Joel Wang, en forskningsvidenskabsmand på MIT’s Research Laboratory of Electronics (RLE)

Denne superfluid stivhed måles normalt ved hjælp af metoder, der placerer det superledende materiale i en mikro-bølge-resonator, en enhed, der resonerer ved mikro-bølge-frekvenser. I en mikro-bølge-resonator ændrer materialet både resonans-frekvensen og kinetisk induktans i forhold til sin superfluid stivhed.

Men disse teknikker har kun været kompatible med prøver, der er 10 til 100 gange større og tykkere end MATBG, hvilket betyder, at en ny tilgang er nødvendig for at måle superfluid stivhed i atomisk tynde superledere.

Nu er udfordringen med at gøre dette med et ekstremt ømt materiale som MATBG at sætte det fast til mikro-bølge-resonatoren uden at forstyrre dets glatthed. Dette betyder, at man skal lave “en idealt tab-fri – dvs. superledende – kontakt mellem de to materialer”, eller også mikro-bølge-signalet, der sendes, vil blive degraderet eller blot bounce tilbage.

Så holdet samlede først MATBG ved hjælp af standard-fabrikationsteknikker og derefter lukkede det mellem to isolerende ark af hexagonal boron-nitrid for at bevare dets ømme atom-struktur og intrinsiske egenskaber.

Resonatoren var primært aluminium, med en lille mængde MATBG tilføjet til enden. For at kontakte MATBG, udskar holdet det meget skarpt og eksponerede en side af det nyligt udskårne MATBG, hvortil aluminium blev deponeret for at “gøre en god kontakt og danne en aluminium-ledning”, der blev forbundet til den større aluminium mikro-bølge-resonator. 

Holdet sendte en mikro-bølge-signal gennem denne resonator, målte den resulterende ændring i dens resonans-frekvens og sluttede af MATBG’s kinetiske induktans. Ved at konvertere den målte induktans til en værdi af superfluid stivhed, fandt holdet, at den var meget større end, hvad konventionel superledningsteori ville have forudsagt.

“Vi så en ti-fold øgning i superfluid stivhed i forhold til konventionelle forventninger, med en temperatur-afhængighed, der er i overensstemmelse med, hvad kvant-geometri-teorien forudsiger,” sagde co-lead forfatter Miuko Tanaka. “Dette var en ‘røgslør’, der pegede på kvant-geometriens rolle i at styre superfluid stivhed i dette to-dimensionale materiale.“

Investering i Superledende Teknologi

American Superconductor Corporation (AMSC ) er et energi-teknologi-selskab, der producerer avancerede superleder-systemer. Det fokuserer på at commercialisere eksisterende superledningsteknologier og anvende dem til virkelige kraftnet- og flådes anvendelser.

AMSC er en førende leverandør af megawatt-skala kraft-resiliens-løsninger, herunder Gridtec, Marinetec og Windtec. 

Gennem disse løsninger giver selskabet avancerede grid-systemer til at optimere netværkspræstation, effektivitet og pålidelighed, propel- og kraftstyringsløsninger til at forbedre kraftkvalitet og operationel sikkerhed, og vindmølle-elektroniske kontroller og systemer.