MIT bevestigt onconventionele supergeleiding in MATTG

Supergeleiding treedt op wanneer elektronen zich koppelen, in plaats van uit elkaar te verstrooien zoals ze doen in normale geleiders of alledaagse materialen. Deze gekoppelde elektronen worden “Cooper-paren” genoemd, wat een perfecte, weerstandsvrije stroom van stroom creëert.

Deze opmerkelijke eigenschap is waargenomen in supergeleiders wanneer ze onder een specifieke “kritische temperatuur” worden gekoeld. Naast het mogelijk maken van een stroom die eindeloos kan vloeien zonder energieverlies, stoten deze materialen ook magnetische velden af, waardoor ze kunnen zweven.

Terwijl conventionele supergeleiders, zoals die van aluminium, zeer lage temperaturen vereisen, ontwikkelen onderzoekers actief materialen die bij hogere, meer praktische temperaturen supergeleiden, een stap die de energie- en kwantumtechnologieën kan revolutioneren.

Onderzoekers van MIT hebben nu deze doorbraak bereikt. Ze hebben een kenmerkende V-vormige energiegap waargenomen, die wijst op onconventionele supergeleiding in magic-angle grafiet, wat een belangrijke vooruitgang betekent richting supergeleiders op kamertemperatuur.

Magic-Angle Grafiet & ‘Twistronica’: Hoe Laagrotatie de Fysica Verandert

Sinds de ontdekking van “magic-angle” grafiet heeft het veel opschudding veroorzaakt in de wetenschappelijke wereld, waarbij onderzoekers talloze exotische kwantumverschijnselen onthullen, variërend van gecorreleerde isolerende toestanden en onconventionele supergeleiding tot afstelbare magnetisme en topologische fasen.

In 2018 creëerde en observeerde een team van natuurkundigen aan MIT, onder leiding van Pablo Jarillo-Herrero, voor het eerst de effecten van magic-angle grafiet.

Ze detecteerden ongebruikelijke elektronische eigenschappen, zoals supergeleiding, wanneer twee grafietlagen op een zeer specifieke hoek worden gestapeld. Die gedraaide structuur staat bekend als magic-angle twisted bilayer graphene, of MATBG.

Grafiet is een enkele laag koolstof, slechts één atoom dik, en heeft een honingraatrooster. De rangschikking van koolstofatomen in een hexagonale patroon lijkt op kippenraad en vertoont opmerkelijke sterkte, duurzaamheid en het vermogen om warmte en elektriciteit te geleiden.

Bilayer grafiet is ondertussen een stapel van twee lagen waarin de twee roosters op een bepaalde manier zijn georiënteerd. 

In pristine bilayer graphene observeerden Jarillo-Herrero en zijn team Mott-isolatorgedrag (een fenomeen waarbij een materiaal een isolator wordt door sterke elektronen-elektronen afstoting, ondanks dat het een geleider zou moeten zijn) wanneer de twee lagen op een magic angle werden gedraaid.

Dit leidde tot de ontwikkeling van “twistronica”, een veelbelovende nieuwe techniek om de elektronische eigenschappen van grafiet aan te passen door aangrenzende lagen van het materiaal te roteren. 

De methode werd vervolgens gebruikt door een team van onderzoekers van MIT, Harvard University en NIMS in Japan om de gedraaide bilayer supergeleidend te maken door een elektrisch veld toe te passen.

In de loop der tijd onderzochten veel onderzoekers verschillende multilayer grafietstructuren, die tekenen van onconventionele supergeleiding vertoonden.

In 2021 stapelden Harvard-fysici succesvol drie lagen grafiet en draaiden ze op de magic angle om een drielaagsysteem te produceren dat robuuste supergeleiding vertoont¹ bij hogere temperaturen dan veel dubbelstapelde grafietsysteem. Omdat het gevoelig is voor een extern aangelegd elektrisch veld, stelde dit het team ook in staat om de supergeleiding af te stemmen door de sterkte van het veld aan te passen.

Dit experiment hielp wetenschappers te begrijpen dat de supergeleiding van de trilayerstructuur te wijten is aan sterke elektronen-elektronen interacties, die het meer bestand maken tegen hogere temperaturen. 

Hetzelfde jaar rapporteerden Princeton-onderzoekers een opvallende gelijkenis² tussen de supergeleiding van magic graphene en die van hogetemperatuursupergeleiders.

Met behulp van een scanning tunneling microscope (STM) ontdekten ze dat gekoppelde elektronen een eindig hoeksmoment hebben. De ander hield zich bezig met hoe het gedrag van een supergeleidende materiaal verandert wanneer de supergeleidende toestand wordt gedempt door de temperatuur te verhogen of een magnetisch veld toe te passen. Terwijl elektronen zich ontkoppelen in conventionele supergeleiders, blijft er in onconventionele een zekere correlatie behouden.

MIT Banen de Weg naar Supergeleiders op Kamertemperatuur

Het vermogen van supergeleiders om elektriciteit te geleiden zonder weerstand maakt ze essentieel voor technologieën zoals MRI-scanners, stroomtransmissie en -opslag, geavanceerde computers en deeltjesversnellers.

Maar conventionele supergeleiders werken alleen bij zeer koude temperaturen. Daarom moeten ze in gespecialiseerde koelsystemen worden gehouden om hun supergeleidende toestand te behouden.

Als deze materialen bij hogere, meer toegankelijke temperaturen konden supergeleiden, zouden ze technologische systemen wereldwijd kunnen herdefiniëren. Met dit doel onderzoeken wetenschappers aan MIT onconventionele supergeleiders die afwijken van traditioneel gedrag.

Recentelijk observeerden MIT-fysici dit fenomeen in “magic-angle” twisted tri-layer graphene (MATTG), wat directe bevestiging biedt dat MATTG onconventionele supergeleiding kan herbergen³.

Zoals Jeong Min Park, de co-hoofdauteur van de studie, opmerkte, in conventionele supergeleiders staan de elektronen in ‘Cooper-paren’ zeer ver van elkaar en zijn ze zwak gebonden, in tegenstelling tot magic-angle grafiet, waar “we al tekenen konden zien dat deze paren zeer strak gebonden zijn, bijna als een molecuul. Er waren aanwijzingen dat er iets heel anders aan dit materiaal was.”

Hoewel eerdere studies aanwijzingen gaven, was het niet nauwkeurig bevestigd. Zoals de studie opmerkte, is het begrijpen van de aard van supergeleiding in magic-angle grafiet uitdagend geweest, met de belangrijkste moeilijkheid bij het onderscheiden van de supergeleidende gap.

Het MIT-team heeft echter succesvol de supergeleidende gap van MATTG gemeten, waardoor de sterkte van zijn supergeleidende toestand bij verschillende temperaturen werd onthuld. Wat ze vonden was een gap in MATTG die volledig verschilde van die in conventionele supergeleiders, wat suggereert dat het supergeleidend worden van MATTG afhankelijk is van een ongewoon mechanisme.
Swipe to scroll →

Zoals de co-hoofdauteur van de studie, Shuwen Sun, een graduate student in de afdeling Natuurkunde van MIT, opmerkte, is er niet één maar vele verschillende mechanismen die tot supergeleiding in materialen kunnen leiden, en het is de supergeleidende gap die een aanwijzing geeft welke specifieke mechanisme leidt tot supergeleiders op kamertemperatuur om energie en technologie te revolutioneren.

“Wanneer een materiaal supergeleidend wordt, bewegen elektronen samen als paren in plaats van individueel, en er is een energiegap die weergeeft hoe ze gebonden zijn. De vorm en symmetrie van die gap vertelt ons de onderliggende aard van de supergeleiding.”

– Park

Om hun ontdekking van een onconventioneel mechanisme te bewijzen, gebruikte het team een nieuw experimenteel systeem dat hen in staat stelt direct te observeren hoe de supergeleidende gap zich vormt in tweedimensionale (2D) materialen. 

Hiervoor maakten de onderzoekers gebruik van tunneling spectroscopie. In deze kwantumschaaltechniek gedragen elektronen zich zowel als golven als deeltjes, waardoor ze door barrières kunnen “tunnelen” die hen normaal zouden tegenhouden. Door de gemakkelijke manier waarop elektronen door een materiaal kunnen tunnelen te bestuderen, leren onderzoekers hoe sterk ze er binnen gebonden zijn.

In dit geval tunnelde het team elektronen tussen twee lagen van MATTG om de supergeleidende toestand te meten.

Deze methode alleen bewijst echter niet altijd de supergeleiding van een materiaal, waardoor directe meting cruciaal maar uitdagend is. Dus combineerde het team tunneling spectroscopie met elektrische transportmetingen, die volgen hoe stroom door een materiaal beweegt terwijl de weerstand wordt gemonitord.

Het team gebruikte deze aanpak op MATTG en identificeerde duidelijk de supergeleidende tunneling gap, die alleen verscheen wanneer het materiaal nul weerstand bereikte.

Bij het wijzigen van de temperatuur en het magnetisch veld vertoonde deze gap een scherpe V-vormige curve in plaats van het gladde, vlakke patroon dat gewoonlijk wordt gezien in conventionele supergeleiders. Volgens de studie verdwijnt de unieke laag-energie supergeleidende gap bij de kritische temperatuur en het magnetisch veld van de supergeleiding.

De onderscheidende vorm wijst op een nieuw mechanisme dat ten grondslag ligt aan de supergeleiding van MATTG, dat, hoewel onbekend, duidelijk maakt dat het materiaal zich anders gedraagt dan elke conventionele supergeleider.

In de meeste supergeleiders koppelen elektronen zich door trillingen in het omringende atomaire rooster, die hen naar elkaar toe duwen. Maar in MATTG, zegt Park, kan de koppeling te wijten zijn aan sterke elektronische interacties, wat betekent dat “elektronen zichzelf helpen te koppelen, waardoor een supergeleidende toestand met een speciale symmetrie ontstaat.”

De techniek die het team in staat stelde de supergeleidende gap direct te observeren, de combinatie van tunneling spectroscopie en transportmetingen, zal nu worden gebruikt om verschillende gedraaide en gelaagde materialen te bestuderen.

Met de opstelling die het team in staat stelt om “de onderliggende elektronische structuren van supergeleiding en andere kwantumfasen te identificeren en te bestuderen terwijl ze zich voordoen, binnen hetzelfde monster,” merkte Park op dat “dit directe beeld kan onthullen hoe elektronen zich koppelen en concurreren met andere toestanden, waardoor de weg wordt vrijgemaakt om nieuwe supergeleiders en kwantummaterialen te ontwerpen en te beheersen die op een dag efficiëntere technologieën of quantumcomputers kunnen aandrijven.”

Ze zullen de experimentele opstelling ook gebruiken om MATTG evenals andere 2D-materialen in meer detail te bestuderen om nieuwe, veelbelovende kandidaten voor geavanceerde technologieën te vinden.

“Het grondig begrijpen van één onconventionele supergeleider kan ons begrip van de rest activeren,” zei de senior auteur van de studie, Jarillo-Herrero, die de Cecil en Ida Green Professor of Physics aan MIT is. “Dit begrip kan de ontwerp van supergeleiders die op kamertemperatuur werken, bijvoorbeeld, sturen, wat min of meer de Heilige Graal van het hele vakgebied is.”

De Rol van Kwantumgeometrie bij het Maak van Elektronen Superfluïd

Hoewel de nieuwste ontdekking van MIT in magic-angle trilayer grafiet een grote sprong betekent in het begrijpen van onconventionele supergeleiding, helpen aanvullende studies ook bij het invullen van belangrijke details, zoals hoe gemakkelijk elektronenparen door deze materialen stromen.

Het is bekend dat elektronen in supergeleidende materialen met nul wrijving bewegen, maar hoe gemakkelijk elektronenparen kunnen stromen hangt af van factoren zoals hun dichtheid. De term “supervloeistijfheid” beschrijft hoe resistent een supergeleidende systeem is tegen veranderingen in de stroom van zijn elektronenparen, waardoor het een belangrijke indicator van supergeleiding is.

Eerder dit jaar maten natuurkundigen aan MIT en Harvard University direct de supervloeistijfheid in magic-angle grafiet⁴ om beter te begrijpen hoe het materiaal supergeleidt.

Met deze studie was het doel om het mechanisme te identificeren dat verantwoordelijk is voor supergeleiding in magic-angle grafiet, dat voornamelijk wordt bepaald door kwantumgeometrie, of de conceptuele “vorm” van kwantumtoestanden in een materiaal.

Nu, om de supervloeistijfheid direct te meten, ontwikkelde het team een nieuwe experimentele techniek die ook kan worden gebruikt om soortgelijke metingen te doen van andere 2D supergeleidende materialen, waarvan “er een hele familie… wacht om onderzocht te worden.”

In materialen zoals MATBG kan de koppeling van elektronen, ook wel Cooper-paren genoemd, een supervloeistof vormen, wat betekent dat ze door een materiaal kunnen bewegen als een moeiteloze stroom. Maar hoewel ze geen weerstand hebben, moet er nog steeds een duw worden toegepast in de vorm van een elektrisch veld om de stroom in beweging te krijgen.

“Supervloeistijfheid verwijst naar hoe gemakkelijk het is om deze deeltjes te laten bewegen, om supergeleiding te stimuleren.”

– Studie co-hoofdauteur Joel Wang, een onderzoekwetenschapper in MIT’s Research Laboratory of Electronics (RLE)

Deze supervloeistijfheid wordt meestal gemeten met methoden die het supergeleidende materiaal in een microgolfresonator plaatsen, een apparaat dat resoneert op microgolffrequenties. In een microgolfresonator verandert het materiaal zowel de resonantiefrequentie als de kinetische inductantie in verhouding tot zijn supervloeistijfheid.

Maar deze technieken waren alleen compatibel met monsters die 10 tot 100 keer groter en dikker waren dan MATBG, wat betekent dat een nieuwe aanpak nodig is om supervloeistijfheid te meten in atomaire dunne supergeleiders.

Nu is de uitdaging bij het doen met een uiterst delicaat materiaal zoals MATBG het bevestigen aan het oppervlak van de microgolfresonator zonder de gladheid te verstoren. Dit betekent het maken van “een ideaal verliesloos – d.w.z. supergeleidend – contact tussen de twee materialen,” anders zal het verzonden microgolfsignaal worden verzwakt of gewoon terugkaatsen.

Dus assembleerde het team eerst MATBG met standaard fabricatietechnieken en omsloot het vervolgens tussen twee isolerende vellen hexagonaal boornitride om de delicate atomaire structuur en intrinsieke eigenschappen te behouden.

De resonator bestond voornamelijk uit aluminium, met een kleine hoeveelheid MATBG toegevoegd aan het einde. Om contact te maken met de MATBG, etsde het team het zeer scherp, waardoor een kant van de nieuw gesneden MATBG werd blootgelegd, waaraan aluminium werd afgezet om “een goed contact te maken en een aluminium geleider te vormen,” die werd verbonden met de grotere aluminium microgolfresonator.

Het team stuurde een microgolfsignaal door deze resonator, meette de resulterende verschuiving in de resonantiefrequentie, en deduceerde de kinetische inductantie van MATBG. Bij het omzetten van de gemeten inductantie naar een waarde van supervloeistijfheid vond het team dat deze veel groter was dan wat conventionele supergeleidertheorieën zouden hebben voorspeld.

“We zagen een tienvoudige toename in supervloeistijfheid vergeleken met conventionele verwachtingen, met een temperatuursafhankelijkheid die consistent is met wat de theorie van kwantumgeometrie voorspelt,” zei co-hoofdauteur Miuko Tanaka. “Dit was een ‘rooksignaal’ dat wees op de rol van kwantumgeometrie bij het bepalen van supervloeistijfheid in dit tweedimensionale materiaal.”

Investeren in Supergeleidingstechnologie

American Superconductor Corporation (AMSC ) is een energie-technologiebedrijf dat geavanceerde supergeleidersystemen produceert. Het richt zich op het commercialiseren van bestaande supergeleidingstechnologieën en het toepassen ervan op reële stroomnet- en maritieme toepassingen.

AMSC is een toonaangevende leverancier van megawatt-schaal stroomresiliëntieoplossingen, waaronder Gridtec, Marinetec en Windtec. 

Via deze oplossingen biedt het bedrijf geavanceerde netwerksystemen om de netwerkprestaties, efficiëntie en betrouwbaarheid te optimaliseren, voortstuwings- en vermogensbeheersoplossingen om de stroomkwaliteit en operationele veiligheid te verbeteren, en elektronische besturingen en systemen voor windturbines.