MIT bekrefter ukonvensjonell superledning i MATTG

Superledning oppstår når elektroner danner par, i stedet for å spre seg som de gjør i vanlige ledere eller i hverdagsmaterialer. Disse parrede elektronene kalles «Cooper-par», som skaper en perfekt, motstandsfri strømflyt.

Denne bemerkelsesverdige egenskapen er observert i superledere når de blir kjølt ned under en spesifikk «kritisk temperatur». I tillegg til at den tillater en strøm å flyte uendelig uten energitap, skyver disse materialene også bort magnetfelt, noe som gjør dem i stand til å sveve.

Mens konvensjonelle superledere, som de laget av aluminium, krever svært lave temperaturer, utvikler forskere aktivt materialer som kan bli superledende ved høyere, mer praktiske temperaturer, et steg som kan revolusjonere energi- og kvanteteknologi.

Forskere ved MIT har nå oppnådd dette gjennombruddet. De har observert et karakteristisk V‑formet energigap, som peker på ukonvensjonell superledning i magic‑angle grafen, og markerer et viktig fremskritt mot romtemperatur‑superledere.

Magic‑Angle‑grafen & ‘Twistronics’: Hvordan lagrotasjon endrer fysikken

Siden oppdagelsen av «magic-angle» grafen har den skapt mye oppmerksomhet i den vitenskapelige verden, med forskere som avdekker en rekke eksotiske kvantefenomener fra korrelerte isolerende tilstander og ukonvensjonell superledning til justerbar magnetisme og topologiske faser.

I 2018 laget et team av fysikere ved MIT, ledet av Pablo Jarillo‑Herrero, først magic-angle grafen og observerte dens effekter.

De oppdaget uvanlige elektroniske egenskaper, som superledning, når to grafenlag er stablet i en svært spesifikk vinkel. Denne vridde strukturen er kjent som magic-angle twisted bilayer graphene, eller MATBG.

Grafen er ett enkelt lag med karbon, kun ett atomtykkelse, og har et bikubisk gitter. Arrangementet av karbonatomer i et heksagonalt mønster ligner på hønsebur og viser bemerkelsesverdig styrke, holdbarhet, samt evnen til å lede varme og elektrisitet.

Bilayer‑grafen er derimot en stabel av to lag hvor de to gitterne er orientert på en spesiell måte.

I pristine bilayer grafen observerte Jarillo‑Herrero og hans team Mott‑isolator‑atferd (et fenomen der et materiale blir isolator på grunn av sterk elektron‑elektron‑repulsjon, til tross for at det forventes å være leder) når de to lagene ble vridd i en magic‑vinkel.

Dette førte til utviklingen av «twistronics», en lovende ny teknikk for å justere de elektroniske egenskapene til grafen ved å rotere tilstøtende lag av materialet.

Metoden ble deretter brukt av et forskerteam fra MIT, Harvard University og NIMS i Japan for å gjøre det vridde bilaget superledende ved å påføre et elektrisk felt.

Over tid undersøkte mange forskere ulike flerlags‑grafenstrukturer, som viste tegn på ukonvensjonell superledning.

I 2021 klarte fysikere ved Harvard å stable tre lag med grafen og vri dem i magic‑vinkelen for å produsere et treslags system som viser robust superledning¹ ved høyere temperaturer enn mange dobbelt‑stablede grafensystemer. Systemet er følsomt for et eksternt påført elektrisk felt, og gjorde det også mulig for teamet å justere superledningen ved å endre feltstyrken.

Dette eksperimentet hjalp forskere å forstå at superledningen i trilag‑strukturen skyldes sterke elektron‑elektron‑interaksjoner, som gjør den mer motstandsdyktig mot høyere temperaturer.

Det samme året rapporterte forskere ved Princeton en bemerkelsesverdig likhet² mellom magic‑grafens superledning og den til høy‑temperatur‑superledere.

Ved bruk av et scanning tunneling mikroskop (STM) fant de at parrede elektroner har et endelig vinkelmoment. Den andre undersøkte hvordan oppførselen til et superledende materiale endres når den superledende tilstanden slukkes ved å øke temperaturen eller påføre et magnetisk felt. Mens elektroner spaltes i konvensjonelle superledere, beholder noen korrelasjoner fortsatt i ukonvensjonelle.

MIT baner vei til romtemperatur‑superledere

Evnen til superledere til å lede elektrisitet uten motstand gjør dem sentrale for teknologier som MR‑skannere, kraftoverføring og -lagring, avansert databehandling og partikkelakseleratorer.

Men konvensjonelle superledere fungerer kun ved svært kalde temperaturer. Derfor må de holdes i spesialiserte kjølesystemer for å opprettholde sin superledende tilstand.

Hvis disse materialene kunne bli superledende ved høyere, mer tilgjengelige temperaturer, kunne de redefinere teknologiske systemer globalt. Med dette målet undersøker forskere ved MIT ukonvensjonelle superledere som avviker fra tradisjonell oppførsel.

Nylig observerte fysikere ved MIT dette fenomenet i «magic-angle» vridd trilag‑grafen (MATTG), og ga direkte bekreftelse på at MATTG kan inneholde ukonvensjonell superledning³.

Som Jeong Min Park, medforfatter av studien, bemerket, i konvensjonelle superledere er elektronene i «Cooper‑par» svært langt fra hverandre og svakt bundet, i motsetning til i magic‑angle grafen, hvor «vi allerede kunne se tegn på at disse parene er svært tett bundet, nesten som et molekyl. Det var hint om at det var noe veldig annerledes med dette materialet.»

Mens tidligere studier ga ledetråder, var det ikke presist bekreftet. Som studien påpeker, har forståelsen av superledningens natur i magic‑angle grafen vært utfordrende, med hovedvanskeligheten i å skille ut superledningsgapet.

MIT‑teamet klarte imidlertid å måle MATTG‑s superledningsgap, og avdekket styrken til dens superledende tilstand ved ulike temperaturer. Det de fant var et gap i MATTG som var helt annerledes enn i konvensjonelle superledere, noe som tyder på at MATTG‑s overgang til superledning avhenger av en uvanlig mekanisme.
Swipe to scroll →

Som studiens medforfatter, Shuwen Sun, en doktorgradsstudent ved MITs fysikkavdeling, bemerket, finnes det ikke én, men mange ulike mekanismer som kan føre til superledning i materialer, og det er superledningsgapet som gir et hint om hvilken spesiell mekanisme som kan lede til romtemperatur‑superledere som kan revolusjonere energi og teknologi.

«Når et materiale blir superledende, beveger elektronene seg sammen som par i stedet for individuelt, og det finnes et energigap som reflekterer hvordan de er bundet. Formen og symmetrien til dette gapet forteller oss den underliggende naturen til superledningen.»

– Park

For å bevise deres oppdagelse av en ukonvensjonell mekanisme, brukte teamet et nytt eksperimentelt system som gjør dem i stand til å direkte observere hvordan superledningsgapet dannes i todimensjonale (2D) materialer.

For dette benyttet forskerne tunneling‑spektroskopi. I denne kvante‑skala teknikken oppfører elektroner seg både som bølger og som partikler, noe som gjør dem i stand til å «tunnele» gjennom barrierer som normalt ville stoppe dem. Ved å studere hvor lett elektroner kan tunnelere gjennom et materiale, lærer forskerne hvor sterkt de er bundet inne i det.

I dette tilfellet tunnelerte teamet elektroner mellom to lag av MATTG for å måle dens superledende tilstand.

Denne metoden alene beviser imidlertid ikke alltid et materiales superledning, noe som gjør direkte måling avgjørende, men utfordrende. Så kombinerte teamet tunneling‑spektroskopi med elektriske transportmålinger, som sporer hvordan strøm beveger seg gjennom et materiale mens motstanden overvåkes.

Teamet brukte denne tilnærmingen på MATTG og identifiserte tydelig superlednings‑tunnelgapet, som kun dukket opp når materialet nådde null motstand.

Ved å endre temperatur og magnetisk felt viste dette gapet en skarp V‑formet kurve i stedet for det jevne, flate mønsteret som vanligvis ses i konvensjonelle superledere. Ifølge studien forsvinner det unike lav‑energi superledningsgapet ved den kritiske superledningstemperaturen og magnetfeltet.

Den distinkte formen peker på en ny mekanisme som ligger til grunn for MATTG‑s superledning, som, selv om den er ukjent, gjør det klart at materialet faktisk oppfører seg annerledes enn noen konvensjonell superleder.

I de fleste superledere danner elektroner par på grunn av vibrasjoner i det omkringliggende atomgitteret, som presser dem sammen. Men i MATTG, sier Park, kan paringen skyldes sterke elektroninteraksjoner, noe som betyr at «elektronene selv hjelper hverandre med å danne par, og danner en superledende tilstand med spesiell symmetri».

Teknikken som gjorde det mulig for teamet å direkte observere superledningsgapet, kombinasjonen av tunneling‑spektroskopi og transportmålinger, vil nå bli brukt til å studere ulike vridde og lagdelte materialer.

Med oppsettet som gjør at teamet kan «identifisere og studere de underliggende elektroniske strukturene til superledning og andre kvantefaser mens de skjer, i samme prøve», bemerket Park at «dette direkte innblikket kan avdekke hvordan elektroner parer seg og konkurrerer med andre tilstander, og bane vei for å designe og kontrollere nye superledere og kvantematerialer som en dag kan drive mer effektive teknologier eller kvantedatamaskiner.»

De vil også bruke eksperimentoppsettet til å studere MATTG samt andre 2D‑materialer i større detalj for å finne nye, lovende kandidater for avanserte teknologier.

«Vi så en ti‑fold økning i superfluid stivhet sammenlignet med konvensjonelle forventninger, med en temperaturavhengighet som er konsistent med det kvantegeometri‑teorien forutsier,» sa medforfatter Miuko Tanaka. «Dette var et «røykende våpen» som pekte på kvantegeometriens rolle i å styre superfluid stivhet i dette todimensjonale materialet.»

Den kvantemessige geometrien sin rolle i å gjøre elektroner superfluid

Mens MITs siste oppdagelse i magic‑angle trilag‑grafen markerer et stort sprang mot forståelsen av ukonvensjonell superledning, hjelper komplementære studier også med å fylle inn viktige detaljer, som hvor lett elektronpar flyter gjennom disse materialene.

Det er kjent at elektroner i superledende materialer beveger seg uten friksjon, men hvor lett elektronpar kan flyte avhenger av faktorer som deres tetthet. Begrepet «superfluid stivhet» beskriver hvor motstandsdyktig et superledende system er mot endringer i flyten av dets elektronpar, og er dermed en nøkkelindikator på superledning.

Tidligere i år målte fysikere ved MIT og Harvard University direkte superfluid stivhet i magic‑angle grafen⁴ for å forstå bedre hvordan materialet blir superledende.

Med denne studien har målet vært å identifisere mekanismen som er ansvarlig for superledning i magic‑angle grafen, som hovedsakelig bestemmes av kvantegeometri, eller den konseptuelle «formen» av kvantetilstander i et materiale.

Nå, for å måle superfluid stivhet direkte, utviklet teamet en ny eksperimentell teknikk som også brukes til å gjøre lignende målinger av andre 2D‑superledende materialer, hvor «det finnes en hel familie … som venter på å bli undersøkt».

I materialer som MATBG kan paringen av elektroner, også kalt Cooper‑par, danne en superfluid, noe som betyr at de kan bevege seg gjennom et materiale som en lett strøm. Men selv om de har ingen motstand, må det fortsatt påføres en pådrivende kraft i form av et elektrisk felt for å få strømmen til å bevege seg.

«Superfluid stivhet refererer til hvor lett det er å få disse partiklene til å bevege seg, for å drive superledning.»

– Study co-lead author Joel Wang, a research scientist in MIT’s Research Laboratory of Electronics (RLE)

Denne superfluid stivheten måles vanligvis ved metoder som plasserer det superledende materialet i en mikrobølge‑resonator, en enhet som resonnerer ved mikrobølgefrekvenser. I en mikrobølge‑resonator endrer materialet både resonansfrekvensen og den kinetiske induktansen i forhold til sin superfluid stivhet.

Men disse teknikkene har kun vært kompatible med prøver som er 10 til 100 ganger større og tykkere enn MATBG, noe som betyr at en ny tilnærming er nødvendig for å måle superfluid stivhet i atomtynt superledende materialer.

Nå er utfordringen med å gjøre dette med et ekstremt delikat materiale som MATBG å feste det til mikrobølge‑resonatorens overflate uten å forstyrre dets glatthet. Dette betyr å lage «en ideelt tapsfri – dvs. superledende – kontakt mellom de to materialene», ellers vil mikrobølgesignalet bli degradert eller bare reflekteres tilbake.

Dermed samlet teamet først MATBG ved bruk av standard fremstillingsteknikker og deretter omsluttet det mellom to isolerende lag av heksagonal boronitrid for å bevare det delikate atomstrukturen og de iboende egenskapene.

Resonatoren besto hovedsakelig av aluminium, med en liten mengde MATBG tilsatt på enden. For å kontakte MATBG, etsde teamet den svært skarpt, og eksponerte en side av den nykuttede MATBG, som deretter ble deponert med aluminium for å «lage en god kontakt og danne en aluminium‑leder», som ble koblet til den større aluminium‑mikrobølge‑resonatoren.

Teamet sendte et mikrobølgesignal gjennom denne resonatoren, målte den påfølgende forskyvningen i resonansfrekvensen, og beregnet MATBG‑s kinetiske induktans. Ved å konvertere den målte induktansen til en verdi for superfluid stivhet, fant teamet at den var mye større enn hva konvensjonelle superledningsteorier ville ha forutsagt.

«Vi så en ti‑fold økning i superfluid stivhet sammenlignet med konvensjonelle forventninger, med en temperaturavhengighet som er konsistent med det kvantegeometri‑teorien forutsier,» sa medforfatter Miuko Tanaka. «Dette var et «røykende våpen» som pekte på kvantegeometriens rolle i å styre superfluid stivhet i dette todimensjonale materialet.»

Investere i superledende teknologi

American Superconductor Corporation (AMSC ) er et energiteknologiselskap som produserer avanserte superledersystemer. Det fokuserer på kommersialisering av eksisterende superledningsteknologier og anvender dem i virkelige kraftnett- og marineapplikasjoner.

AMSC er en ledende leverandør av megawatt‑skala kraft‑resiliensløsninger, inkludert Gridtec, Marinetec og Windtec.

Gjennom disse løsningene tilbyr selskapet avanserte nett‑systemer for å optimalisere nettverkets ytelse, effektivitet og pålitelighet, fremdrifts‑ og kraftstyringsløsninger for å forbedre kraftkvalitet og operasjonell sikkerhet, samt elektroniske kontroller og systemer for vindturbiner.