Οι φυσικοί στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) ανακάλυψαν ότι το μαγνητικό τριών στρωμάτων γραφικών μπορεί να είναι ένας σπάνιος, αντι-μαγνητικός υπεραγωγός.

Τα νέα ευρήματα μπορεί να βοηθήσουν στο σχεδιασμό πιο ισχυρών μηχανών μαγνητικής τομογραφίας ή ισχυρών κβαντικών υπολογιστών.

Οι φυσικοί στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης παρατήρησαν σημάδια σπάνιου τύπου υπεραγωγιμότητας σε ένα υλικό που ονομάζεται μαγνητική γωνιακή τριών στρωμάτων γραφενίου. Σε μια μελέτη που εμφανίζεται στο φύσηΟι ερευνητές αναφέρουν ότι το υλικό παρουσιάζει υπεραγωγιμότητα σε εκπληκτικά υψηλά μαγνητικά πεδία έως και 10 Tesla, το οποίο είναι τρεις φορές υψηλότερο από αυτό που αναμένεται να αντέξει το υλικό εάν ήταν συμβατικός υπεραγωγός.

Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν έντονα ότι το μαγικό γραφένιο τριών στρωμάτων, το οποίο αρχικά ανακαλύφθηκε από την ίδια ομάδα, είναι ένας πολύ σπάνιος τύπος υπεραγωγού, γνωστός ως “spin triplet”, αδιάβροχος σε υψηλά μαγνητικά πεδία. Τέτοιοι εξωτικοί υπεραγωγοί θα μπορούσαν να βελτιώσουν σημαντικά τεχνικές όπως η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού, η οποία χρησιμοποιεί υπεραγώγιμα καλώδια κάτω από ένα μαγνητικό πεδίο για να συντονιστεί με βιολογικούς ιστούς και να τα απεικονίσει. Οι μηχανές μαγνητικής τομογραφίας περιορίζονται επί του παρόντος σε μαγνητικά πεδία από 1 έως 3 Tesla. Εάν μπορούσαν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας υπεραγωγούς τριπλής περιστροφής, η μαγνητική τομογραφία θα μπορούσε να λειτουργεί κάτω από υψηλότερα μαγνητικά πεδία για να παράγει σαφέστερες και βαθύτερες εικόνες του ανθρώπινου σώματος.

Νέα στοιχεία για την υπεραγωγιμότητα τριπλού σπιν στο γραφένιο τριπλής επίστρωσης θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν τους επιστήμονες να σχεδιάσουν ισχυρότερους υπεραγωγούς για πρακτική κβαντική πληροφορική.

«Η αξία αυτού του πειράματος είναι αυτό που μας διδάσκει σχετικά με τη βασική υπεραγωγιμότητα και πώς μπορούν να συμπεριφέρονται τα υλικά, έτσι ώστε με αυτά τα διδάγματα να μάθουμε να προσπαθήσουμε να σχεδιάσουμε αρχές για άλλα υλικά που είναι ευκολότερα στην κατασκευή και ίσως αυτό θα σας δώσει καλύτερη υπεραγωγιμότητα », Λέει ο Pablo Jarillo Herrero, καθηγητής φυσικών Cecil και Ida Green στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης.

Οι συν-συγγραφείς της εφημερίδας περιλαμβάνουν τον Yuan Kao και τον μεταπτυχιακό φοιτητή Jeong Min Park στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, τον Kenji Watanabe και τον Takashi Taniguchi του Εθνικού Ινστιτούτου Επιστήμης Υλικών στην Ιαπωνία.

παράξενος μετασχηματισμός

Τα υπεραγώγιμα υλικά καθορίζονται από την εξαιρετικά αποδοτική ικανότητά τους να μεταφέρουν ηλεκτρισμό χωρίς απώλεια ενέργειας. Όταν εκτίθενται σε ηλεκτρικό ρεύμα, τα ηλεκτρόνια του υπεραγωγού ζευγαρώνονται σε “ζεύγη Cooper” τα οποία στη συνέχεια ταξιδεύουν μέσω του υλικού χωρίς αντίσταση, όπως οι επιβάτες σε ένα γρήγορο τρένο.

Στη συντριπτική πλειονότητα των υπεραγωγών, αυτά τα ζεύγη επιβατών έχουν αντίθετη περιστροφή, με το ένα ηλεκτρόνιο να περιστρέφεται προς τα πάνω και το άλλο προς τα κάτω – μια διαμόρφωση γνωστή ως “περιστρεφόμενη μοναδική”. Αυτά τα ζεύγη επιταχύνονται από έναν υπεραγωγό, εκτός από τα υψηλά μαγνητικά πεδία, τα οποία μπορούν να μετατοπίσουν την ενέργεια κάθε ηλεκτρονίου σε αντίθετες κατευθύνσεις, διαχωρίζοντας το ζεύγος το ένα από το άλλο. Με αυτόν τον τρόπο, και μέσω μηχανισμών, τα υψηλά μαγνητικά πεδία μπορούν να διαταράξουν την υπεραγωγιμότητα στους συμβατικούς υπεραγωγούς περιστροφής.

“Αυτός είναι ο απόλυτος λόγος για τον οποίο η υπεραγωγιμότητα εξαφανίζεται σε ένα αρκετά μεγάλο μαγνητικό πεδίο”, λέει ο Park.

Αλλά υπάρχουν μερικοί περίεργοι υπεραγωγοί που δεν επηρεάζονται από μαγνητικά πεδία, ακόμη και πολύ μεγάλες δυνάμεις. Αυτά τα υλικά υπεραγωγούν μέσω ζευγών ηλεκτρονίων που έχουν το ίδιο σπιν – μια ιδιότητα γνωστή ως “τριπλή περιστροφή”. Όταν εκτίθεται σε υψηλά μαγνητικά πεδία, η ενέργεια και των δύο ηλεκτρονίων στο ζεύγος Cooper μετατοπίζεται προς την ίδια κατεύθυνση, με τέτοιο τρόπο ώστε να μην διαχωρίζονται μεταξύ τους αλλά να συνεχίζουν να ασκούν χωρίς διαταραχή, ανεξάρτητα από την ισχύ του μαγνητικού πεδίου.

Η ομάδα του Jarillo-Herrero ήταν περίεργη για το αν το γραφένιο μαγικής γωνίας τριπλής στρώσης μπορεί να φέρει ενδείξεις για ασυνήθιστη υπεραγωγιμότητα τριπλής περιστροφής. Η ομάδα έχει δημιουργήσει πρωτοποριακές εργασίες μελετώντας τις δομές του γραφενίου moiré – στρώματα δικτυωτού πλέγματος με λεπτό άτομο, τα οποία, όταν στοιβάζονται σε συγκεκριμένες γωνίες, μπορούν να οδηγήσουν σε εκπληκτικές ηλεκτρονικές συμπεριφορές.

Οι ερευνητές ανέφεραν αρχικά τέτοιες ιδιότυπες ιδιότητες σε δύο γωνιακά φύλλα γραφενίου, τα οποία ονόμαζαν μαγικό διστρωματικό γραφένιο. Ακολούθησαν σύντομα τις δοκιμές του τριστρωματικού γραφενίου, ενός σχηματισμού σάντουιτς τριών φύλλων γραφενίου που αποδείχθηκε ισχυρότερος από το αντίστοιχο του δύο στρωμάτων, διατηρώντας ταυτόχρονα την υπεραγωγιμότητα του σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Όταν οι ερευνητές εφάρμοσαν ένα μέτριο μαγνητικό πεδίο, παρατήρησαν ότι το γραφένιο τριών στρωμάτων ήταν ικανό υπεραγωγιμότητας σε δυνάμεις πεδίου που θα καταστρέψουν την υπεραγωγιμότητα στο διπλό στρώμα γραφενίου.

«Σκεφτήκαμε ότι ήταν πολύ περίεργο», λέει ο Jarilo Herrero.

θαυμαστή επιστροφή

Στη νέα τους μελέτη, οι φυσικοί δοκίμασαν την υπεραγωγιμότητα του τριών στρωμάτων γραφενίου σε όλο και υψηλότερα μαγνητικά πεδία. Κατασκεύασαν το υλικό απολέπιση λεπτών στρωμάτων άνθρακα από ένα μπλοκ γραφίτη, στοίβαγμα τριών στρωμάτων μεταξύ τους και περιστροφή του μεσαίου στρώματος κατά 1,56 μοίρες σε σχέση με τα εξωτερικά στρώματα. Συνδέθηκαν ένα ηλεκτρόδιο σε κάθε άκρο του υλικού για να τρέξει ένα ρεύμα μέσα από αυτό και να μετρήσει οποιαδήποτε ενέργεια που χάνεται κατά τη διαδικασία. Στη συνέχεια, ενεργοποίησαν ένα μεγάλο μαγνήτη στο εργαστήριο, με ένα πεδίο που κατευθύνονταν παράλληλα με το υλικό.

Καθώς αύξησαν το μαγνητικό πεδίο γύρω από το γραφένιο τριών στρωμάτων, παρατήρησαν ότι η υπεραγωγιμότητα συγκρατούσε αρκετά έντονα πριν εξαφανιστεί, αλλά στη συνέχεια επανεμφανίστηκε ενδιαφέροντα με υψηλότερες δυνάμεις πεδίου – μια πολύ ασυνήθιστη επανάληψη που δεν είναι γνωστό ότι συμβαίνει σε συμβατικούς υπεραγωγούς.

“Σε υπεραγωγούς μονής περιστροφής, εάν σκοτώσεις την υπεραγωγιμότητα, δεν επανέρχεται ποτέ – έχει φύγει για πάντα”, λέει ο Κάο. “Εδώ, επανεμφανίστηκε ξανά. Αυτό σημαίνει σίγουρα ότι αυτή η ουσία δεν είναι μοναδική.”

Σημείωσαν επίσης ότι μετά την “επανεισδοχή”, η υπεραγωγιμότητα παρέμεινε έως και 10 Tesla, τη μέγιστη ισχύ πεδίου που θα μπορούσε να παράγει ένας εργαστηριακός μαγνήτης. Αυτό είναι περίπου τρεις φορές υψηλότερο από αυτό που θα πρέπει να αντέξει ένας υπεραγωγός εάν ήταν ένα συμβατικό σπιν ενός, σύμφωνα με το όριο του Pauli, μια θεωρία που προβλέπει το μέγιστο μαγνητικό πεδίο στο οποίο ένα υλικό μπορεί να διατηρήσει την υπεραγωγιμότητα.

Η εμφάνιση υπεραγωγιμότητας τριπλής στιβάδας γραφενίου, σε συνδυασμό με τη σταθερότητά της σε μαγνητικά πεδία υψηλότερα από το αναμενόμενο, αποκλείει την πιθανότητα το υλικό να είναι ένας συνηθισμένος υπεραγωγός. Αντ ‘αυτού, είναι πιθανό να είναι ένα πολύ σπάνιο, πιθανώς τριπλό είδος, που φιλοξενεί ζεύγη Cooper που επιταχύνουν το υλικό, αδιαπέραστα σε υψηλά μαγνητικά πεδία. Η ομάδα σκοπεύει να διερευνήσει το υλικό για να επιβεβαιώσει την ακριβή κατάσταση περιστροφής του, η οποία θα μπορούσε να βοηθήσει στο σχεδιασμό πιο ισχυρών MRI, καθώς και πιο ισχυρών κβαντικών υπολογιστών.

«Η τακτική κβαντική πληροφορική είναι πολύ εύθραυστη», λέει ο Jarillo Herrero. “Το κοιτάς και εξαφανίζεται homo. Πριν από περίπου 20 χρόνια, οι θεωρητικοί πρότειναν έναν τύπο τοπολογικής υπεραγωγιμότητας που, εάν επιτευχθεί σε οποιοδήποτε υλικό, θα μπορούσε [enable] Ένας κβαντικός υπολογιστής όπου τα κράτη που είναι υπεύθυνα για τον υπολογισμό είναι πολύ ισχυρά. Αυτό θα έδινε περισσότερη δύναμη στον υπολογισμό. Το κύριο συστατικό που πρέπει να γνωρίζετε είναι οι υπεραγωγοί τριπλού σπιν, ενός συγκεκριμένου τύπου. Δεν έχουμε ιδέα αν το είδος μας είναι τέτοιο. Αλλά ακόμα κι αν δεν συνέβαινε αυτό, αυτό θα μπορούσε να διευκολύνει την τοποθέτηση γραφενίου τριών στρωμάτων με άλλα υλικά για την κατασκευή αυτού του τύπου υπεραγωγιμότητας. Θα μπορούσε να είναι ένα μεγάλο χάκερ. Αλλά είναι ακόμα πολύ νωρίς. “

Αναφορά: «Παραβίαση του ορίου Pauli και επανεισδοχή της υπεραγωγιμότητας σε κυματισμό γραφένιο» Από τους Yuan Kao, Jeong Min Park, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi και Pablo Jarillo-Herrero, 21 Ιουλίου 2021, φύση.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-ε

Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, το Ίδρυμα Gordon and Betty Moore, το Ίδρυμα Ramon Arises και το Πρόγραμμα Sevare Quantum Materials.