MIT vahvistaa epätavanomaisen superjohtavuuden MATTG:ssä

Superjohtavuus tapahtuu, kun elektronit parittuvat sen sijaan, että ne hajautuisivat kuten tavallisissa johtimissa tai arkimateriaaleissa. Nämä paritetut elektronit kutsutaan “Cooper-pariksi”, mikä luo täydellisen, vastusvapaan virran.

Tämä merkittävä ominaisuus on havaittu superjohtajissa, kun ne jäähtyvät tietyn “kriittisen lämpötilan” alapuolelle. Lisäksi mahdollistamalla virran virtaamisen loputtomiin ilman energiahäviöitä, nämä materiaalit myös hylkivät magneettikentät, mikä mahdollistaa niiden leijumisen.

Vaikka perinteiset superjohtimet, kuten alumiinista valmistetut, vaativat erittäin matalia lämpötiloja, tutkijat kehittävät aktiivisesti materiaaleja, jotka voivat toimia superjohtavina korkeammissa, käytännöllisemmissä lämpötiloissa, askelta, joka voisi mullistaa energia- ja kvanttiteknologiat.

MIT:n tutkijat ovat nyt saavuttaneet tämän läpimurron. He ovat havainneet erottuvan V-muotoisen energiakuilun, joka viittaa epätavanomaiseen superjohtavuuteen taikakulma-graphenissa, merkitsemässä tärkeää edistysaskelta kohti huoneenlämpöisiä superjohtimia.

Taikakulma-graphene ja ‘Twistronics’: Kuinka kerrosten kierto muuttaa fysiikkaa

Sen jälkeen kun “taikakulma”-graphene löydettiin, se on herättänyt paljon puhetta tieteellisessä maailmassa, ja tutkijat ovat paljastaneet lukuisia eksoottisia kvanttifenomeneja, kuten korreloituneita eristäviä tiloja ja epätavanomaista superjohtavuutta, säädettävää magnetismia ja topologisia vaiheita.

Vuonna 2018 MIT:n fyysikkojen tiimi, jota johti Pablo Jarillo-Herrero, loi ja havaitsi ensimmäisen kerran taikakulma-graphenin vaikutukset.

He havaitsivat epätavallisia elektronisia ominaisuuksia, kuten superjohtavuutta, kun kaksi graphene-kerrosta pinotaan erittäin tarkkaan kulmaan. Tämä kiertynyt rakenne tunnetaan nimellä taikakulma-kiertynyt kaksikerros-graphene, tai MATBG.

Graphene on yhden atomikerroksen paksu hiilen kerros, jonka paksuus on vain yksi atomi ja jolla on hunajakenkomainen hilaverkko. Hiiliatomien järjestys kuusikulmaisessa mallissa muistuttaa kananverkon verkkoa ja osoittaa poikkeuksellista vahvuutta, kestävyyttä sekä kykyä johtaa lämpöä ja sähköä.

Kaksikerros-graphene puolestaan on kahden kerroksen pino, jossa kaksi hilaverkkoa on orientoitu tietyllä tavalla. 

Puhtaassa kaksikerros-graphenissa, Jarillo-Herrero ja hänen tiiminsä havaitsivat Mottin eristäjäkäyttäytymisen (ilmiö, jossa materiaali muuttuu eristeeksi vahvan elektronien välisten vuorovaikutusten vuoksi, vaikka sen odotettaisiin olevan johtava) kun kaksi kerrosta kierrettiin taikakulmaan.

Tämä johti “twistronics”-menetelmän kehittämiseen, lupaavaan uuteen tekniikkaan, jolla graphene‑materiaalin elektronisia ominaisuuksia voidaan säätää kiertämällä vierekkäisiä kerroksia.

Menetelmää käyttivät myöhemmin MIT:n, Harvardin yliopiston ja Japanin NIMS:n tutkijat kierrätyn kaksikerroksen saattamiseksi superjohtavaksi soveltamalla sähköistä kenttää.

Ajan myötä monet tutkijat tutkivat erilaisia monikerroksisia graphene-rakenteita, jotka osoittivat merkkejä epätavallisesta superjohtavuudesta.

Vuonna 2021 Harvardin fyysikot onnistuivat pinnoittamaan kolme graphene-kerrosta ja kiertämään ne taikakulmaan luodakseen kolmikerroksisen järjestelmän, joka osoittaa vahvaa superjohtavuutta¹ korkeammissa lämpötiloissa kuin monet kaksikerroksiset graphene-järjestelmät. Koska se on herkkä ulkoisesti sovelletulle sähkökentälle, se mahdollisti myös tiimin säätää superjohtavuutta kentän voimakkuutta muuttamalla.

Tämä koe auttoi tutkijoita ymmärtämään, että kolmikerroksisen rakenteen superjohtavuus johtuu vahvoista elektronien välisten vuorovaikutusten, mikä tekee siitä kestävämmän korkeammille lämpötiloille. 

Samaan vuoteen Princetonin tutkijat raportoivat hämmästyttävän samankaltaisuuden² taikakulma-graphenin superjohtavuuden ja korkean lämpötilan superjohtimien välillä.

Käyttäen skannaavaa tunnelointimikroskooppia (STM), he havaitsivat, että paritetuilla elektroneilla on äärellinen kulmamomentti. Toinen puolestaan tarkasteli, miten superjohtavan materiaalin käyttäytyminen muuttuu, kun superjohtava tila sammuu lämpötilan nostamisen tai magneettikentän soveltamisen seurauksena. Vaikka elektronit hajoavat parista perinteisissä superjohtimissa, epätavallisissa materiaaleissa jokin korrelaatio säilyy.

MIT raivaa tietä huoneenlämpöisiin superjohtimiin

Superjohtimien kyky johtaa sähköä ilman vastusta tekee niistä keskeisiä teknologioita, kuten MRI-skannereita, energian siirtoa ja varastointia, kehittynyttä laskentaa ja hiukkaskiihdyttimiä.

Kuitenkin perinteiset superjohtimet toimivat vain erittäin kylmissä lämpötiloissa. Siksi ne on pidettävä erikoistuneissa jäähdytysjärjestelmissä, jotta ne säilyttävät superjohtavan tilansa.

Jos nämä materiaalit voisivat toimia superjohtavina korkeammissa, helpommin saavutettavissa lämpötiloissa, ne voisivat uudelleen määritellä teknologisia järjestelmiä maailmanlaajuisesti. Tämän tavoitteen kanssa MIT:n tutkijat tutkivat epätavallisia superjohtimia, jotka poikkeavat perinteisestä käyttäytymisestä.

Äskettäin MIT:n fyysikot havaitsivat tämän ilmiön “taikakulma”-kiertyneessä kolmikerros-graphenissa (MATTG), tarjoten suoran vahvistuksen siitä, että MATTG voi isännöidä epätavallista superjohtavuutta³.

Kuten tutkimuksen yhteisjohtaja Jeong Min Park totesi, perinteisissä superjohtimissa elektronit ‘Cooper-pareissa’ ovat hyvin kaukana toisistaan ja heikosti sidottuja, toisin kuin taikakulma-graphenissa, jossa “voimme jo nähdä merkkejä siitä, että nämä parit ovat erittäin tiukasti sidottuja, lähes kuin molekyyli. Oli viitteitä siitä, että tässä materiaalissa on jotain hyvin erilaista.”

Vaikka aikaisemmat tutkimukset antoivat vihjeitä, se ei ollut tarkasti vahvistettu. Kuten tutkimus totesi, superjohtavuuden luonteen ymmärtäminen taikakulma-graphenissa on ollut haastavaa, pääasiallinen vaikeus on ollut superjohtavan kuilun erottaminen.

MIT:n tiimi kuitenkin onnistui mittaamaan MATTG:n superjohtavan kuilun, paljastaen sen superjohtavan tilan vahvuuden eri lämpötiloissa. He havaitsivat, että MATTG:n kuilu poikkesi täysin perinteisten superjohtimien kuilusta, mikä viittaa siihen, että MATTG:n superjohtavuus perustuu epätavalliseen mekanismiin.
Vedä vierittääksesi →

Kuten tutkimuksen yhteisjohtaja Shuwen Sun, MIT:n fysiikan laitoksen tohtori, totesi, ei ole yhtä vaan monia erilaisia mekanismeja, jotka voivat johtaa superjohtavuuteen materiaaleissa, ja juuri superjohtava kuilu antaa vihjeen siitä, mikä erityinen mekanismi johtaa huoneenlämpöisiin superjohtimiin mullistamaan energiaa ja teknologiaa.

“Kun materiaali muuttuu superjohtavaksi, elektronit liikkuvat yhdessä pareina sen sijaan, että ne kulkisivat yksittäin, ja on olemassa energiakuilu, joka heijastaa niiden sidosta. Kuulun muoto ja symmetria kertovat meille superjohtavuuden perustavanlaatuista luonteesta.”

– Park

Todistaakseen epätavanomaisen mekanismin löytönsä, tiimi käytti uutta kokeellista järjestelmää, jonka avulla he voivat suoraan havaita, miten superjohtava kuilu muodostuu kaksiulotteisissa (2D) materiaaleissa.

Tätä varten tutkijat hyödynsivät tunnelointispektroskopiaa. Tässä kvanttiasteikollisessa tekniikassa elektronit toimivat sekä aaltoina että hiukkasina, mikä mahdollistaa niiden “tunneloitumisen” esteiden läpi, jotka normaalisti pysäyttäisivät ne. Tutkimalla, kuinka helposti elektronit voivat tunkeutua materiaalin läpi, tutkijat oppivat, kuinka vahvasti ne sidottuja ovat sisällä.

Tässä tapauksessa tiimi tunneli elektroneja kahden MATTG-kerroksen välillä mitatakseen sen superjohtavan tilan.

Tämä menetelmä yksinään ei kuitenkaan aina todista materiaalin superjohtavuutta, mikä tekee suoran mittauksen ratkaisevaksi mutta haastavaksi. Siksi tiimi yhdisti tunnelointispektroskopian sähköisen kuljetusmittauksen kanssa, joka seuraa, miten virta kulkee materiaalin läpi samalla kun sen resistanssia seurataan.

Tiimi käytti tätä lähestymistapaa MATTG:ssä ja tunnisti selvästi superjohtavan tunnelointikuillon, joka ilmestyi vain, kun materiaali saavutti nollaresistanssin.

Kun lämpötilaa ja magneettikenttää muutettiin, tämä kuilu esitti terävän V-muotoisen käyrän sen sijaan, että se olisi tasainen, litteä malli, joka tavallisesti nähdään perinteisissä superjohtimissa. Tutkimuksen mukaan ainutlaatuinen matala-energiainen superjohtava kuilu katoaa superjohtavan kriittisen lämpötilan ja magneettikentän kohdatessa.

Erottuva muoto viittaa uuteen mekanismiin, joka on MATTG:n superjohtavuuden taustalla, ja vaikka se on tuntematon, se tekee selväksi, että materiaali käyttäytyy todellakin eri tavalla kuin mikään perinteinen superjohtin.

Useimmissa superjohtimissa elektronit parittuvat ympäröivän atomiverkon värähtelyjen vuoksi, jotka työntävät ne yhteen. Mutta MATTG:ssä, Parkin mukaan, paritus voi johtua vahvoista elektronisista vuorovaikutuksista, mikä tarkoittaa, että “elektronit itse auttavat toisiaan parittumaan, muodostaen superjohtavan tilan erityisellä symmetrialla.”

Tekniikka, jonka avulla tiimi pystyi suoraan havainnoimaan superjohtavaa kuilua – tunnelointispektroskopian ja kuljetusmittauksen yhdistelmä – tullaan nyt käyttämään erilaisten kiertyneiden ja kerrostettujen materiaalien tutkimiseen.

Kun asetus mahdollistaa tiimille “tunnistaa ja tutkia superjohtavuuden ja muiden kvanttivaiheiden taustalla olevia elektronisia rakenteita niiden tapahtessa, samassa näytteessä”, Park totesi, että “tämä suora näkymä voi paljastaa, miten elektronit parittuvat ja kilpailevat muiden tilojen kanssa, raivaten tietä uusien superjohtimien ja kvanttimateriaalien suunnittelulle ja hallinnalle, jotka voisivat jonain päivänä tehostaa teknologioita tai kvanttitietokoneita.”

He aikovat myös käyttää kokeellista asetusta tutkiakseen MATTG:ta sekä muita 2D-materiaaleja tarkemmin löytääkseen uusia, lupaavia ehdokkaita kehittyneisiin teknologioihin.

“Yhden epätavanomaisen superjohtimen perusteellinen ymmärtäminen voi laukaista ymmärryksemme muista,” sanoi tutkimuksen vanhempi tekijä Jarillo-Herrero, MIT:n Cecil ja Ida Green -professori fysiikassa. “Tämä ymmärrys voi ohjata superjohtimien suunnittelua, jotka toimivat huoneenlämpötilassa, esimerkiksi, mikä on koko alan pyhä graali.”

Kvanttigeometrian rooli elektronien superfluidina tekemisessä

Vaikka MIT:n viimeisin löytö taikakulma-kiertyneessä kolmikerros-graphenissa merkitsee merkittävää edistysaskelta epätavanomaisen superjohtavuuden ymmärtämisessä, täydentävät tutkimukset auttavat myös täyttämään keskeisiä yksityiskohtia, kuten kuinka helposti elektroniparit virtaavat näissä materiaaleissa.

On tiedossa, että superjohtavissa materiaaleissa elektronit liikkuvat ilman kitkaa, mutta kuinka helposti elektroniparit voivat virrata riippuu tekijöistä kuten niiden tiheys. Termi “superfluidin jäykkyys” kuvaa, kuinka vastustuskykyinen superjohtava järjestelmä on muutoksille elektroniparien virtauksessa, tehden siitä keskeisen indikaattorin superjohtavuudelle.

Aikaisemmin tänä vuonna MIT:n ja Harvardin yliopiston fyysikot mittasivat suoraan superfluidin jäykkyyden taikakulma-graphenissa parantaakseen ymmärrystä siitä, miten materiaali on superjohtava.⁴ 

Tämän tutkimuksen tavoitteena on ollut tunnistaa superjohtavuuden mekanismi taikakulma-graphenissa, joka määräytyy pääasiassa kvanttigeometrian, eli materiaalin kvanttitilojen “muodon”, perusteella.

Nyt, suoraan mitatakseen superfluidin jäykkyyttä, tiimi kehitti uuden kokeellisen tekniikan, jota voidaan myös käyttää tekemään samankaltaisia mittauksia muille 2D-superjohtaville materiaaleille, joista “on koko perhe… odottamassa tutkittavaksi.”

Materiaalissa kuten MATBG, elektronien parittuminen, eli Cooper-parit, voi muodostaa superfluidin, mikä tarkoittaa, että ne voivat liikkua materiaalin läpi vaivattomana virrana. Vaikka niillä ei ole vastusta, jonkinlainen työntö on silti tarpeen sähköisen kentän muodossa, jotta virta saadaan liikkeelle.

“Superfluidin jäykkyys viittaa siihen, kuinka helppoa on saada nämä hiukkaset liikkumaan, jotta superjohtavuutta voidaan ylläpitää.”

– Tutkimuksen yhteisjohtaja Joel Wang, tutkimuslääkäri MIT:n Elektroniikan tutkimuslaboratoriossa (RLE))

Tätä superfluidin jäykkyyttä mitataan yleensä menetelmillä, jotka asettavat superjohtavan materiaalin mikroaaltoresonanssissa, laitteessa, joka resonoi mikroaalto-taajuuksilla. Mikroaaltoresonanssissa materiaali muuttaa sekä resonanssitaajuutta että kineettistä induktanssia suhteessa sen superfluidin jäykkyyteen.

Mutta nämä tekniikat ovat olleet yhteensopivia vain näytteiden kanssa, jotka ovat 10–100 kertaa suurempia ja paksumpia kuin MATBG, mikä tarkoittaa, että uusi lähestymistapa on tarpeen mitata superfluidin jäykkyyttä atomisesti ohutkerroksisissa superjohtimissa.

Nyt haaste MATBG:n kaltaisen äärimmäisen herkän materiaalin kanssa on kiinnittää se mikroaaltoresonanssin pinnalle häiritsemättä sen sileyttä. Tämä tarkoittaa “ihanteellisen häviöttömän – eli superjohtavan – kontaktin luomista kahden materiaalin välillä”, muuten lähetetty mikroaaltosignaali heikkenee tai heijastuu takaisin.

Joten tiimi kokosi ensin MATBG:n käyttäen tavallisia valmistustekniikoita ja sulki sen sitten kahden eristävän heksagonaalisen boorin nitriidilevyn väliin säilyttääkseen sen herkän atomirakenteen ja sisäiset ominaisuudet.

Resonanssi koostui pääosin alumiinista, johon lisättiin lopussa pieni määrä MATBG:tä. Yhteyden muodostamiseksi MATBG:hen tiimi kaavasi sen erittäin terävästi, paljastaen uuden leikatun MATBG:n sivun, johon alumiinia kerättiin “tehdäkseen hyvän kontaktin ja muodostaakseen alumiiniliitin,” joka liitettiin suurempaan alumiiniseen mikroaaltoresonanssiin. 

Tiimi lähetti mikroaaltosignaalin tämän resonanssin läpi, mittasi siitä aiheutuneen siirtymän resonanssitaajuudessa ja pääteli MATBG:n kineettisen induktanssin. Muuntaessaan mitatun induktanssin superfluidin jäykkyyden arvoksi, tiimi havaitsi sen olevan paljon suurempi kuin mitä perinteiset superjohtavuusteoriat olisivat ennustaneet.

“Havaitsimme kymmenkertaista kasvua superfluidin jäykkyydessä verrattuna perinteisiin odotuksiin, lämpötilariippuvuus oli yhteneväinen sen kanssa, mitä kvanttigeometrian teoria ennustaa,” sanoi yhteisjohtaja Miuko Tanaka. “Tämä oli ‘savukivääri’, joka osoitti kvanttigeometrian roolin superfluidin jäykkyyden hallinnassa tässä kaksiulotteisessa materiaalissa.”

Sijoittaminen superjohtavaan teknologiaan

American Superconductor Corporation (AMSC ) on energiateknologiayritys, joka valmistaa kehittyneitä superjohtinjärjestelmiä. Se keskittyy olemassa olevien superjohtavien teknologioiden kaupallistamiseen ja niiden soveltamiseen todellisissa sähköverkko- ja laivastosovelluksissa.

AMSC on johtava megawatti‑mittakaavan energian resilienssiratkaisujen tarjoaja, mukaan lukien Gridtec, Marinetec ja Windtec.

Näiden ratkaisujen kautta yritys tarjoaa kehittyneitä verkkojärjestelmiä verkon suorituskyvyn, tehokkuuden ja luotettavuuden optimoimiseksi, sekä työntö- ja energianhallintaratkaisuja parantamaan energian laatua ja operatiivista turvallisuutta, ja tuuliturbiinien elektronisia ohjaus- ja järjestelmäkomponentteja.