MIT-Physiker haben entdeckt, dass dreischichtiges Graphen mit „magischem Winkel“ ein seltener magnetresistenter Supraleiter sein könnte.

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Physiker des Massachusetts Institute of Technology haben Anzeichen einer seltenen Art von Supraleitung in einem Material entdeckt, das als “magischer Winkel” aus gebogenem dreischichtigem Graphen bezeichnet wird. Credits: Mit freundlicher Genehmigung von Pablo Jarillo-Herrero, Yuan Cao, Jeong Min Park, et al

Die neuen Erkenntnisse könnten helfen, leistungsfähigere MRT-Geräte oder leistungsfähigere Quantencomputer zu entwickeln.

Physiker des Massachusetts Institute of Technology haben Anzeichen einer seltenen Art von Supraleitung in einem Material namens gebogen-magisches Dreischicht-Graphen festgestellt. In einer Studie, die in . erscheint NaturDie Forscher berichten, dass das Material in extrem hohen Magnetfeldern von bis zu 10 Tesla Supraleitfähigkeit aufweist, was dreimal so hoch ist, wie man erwarten würde, dass das Material überleben würde, wenn es ein konventioneller Supraleiter wäre.

Die Ergebnisse deuten stark darauf hin, dass das magische dreischichtige Graphen, das ursprünglich von derselben Gruppe entdeckt wurde, eine sehr seltene Art von Supraleiter ist, bekannt als „Spintriplett“, der gegen starke Magnetfelder resistent ist. Solche exotischen Supraleiter könnten Techniken wie die Magnetresonanztomographie erheblich verbessern, bei der supraleitende Drähte unter einem Magnetfeld verwendet werden, um mit biologischem Gewebe in Resonanz zu treten und es abzubilden. Aktuelle MRT-Geräte sind auf Magnetfelder von 1 bis 3 Tesla beschränkt. Wenn sie mit einem Supraleiter mit drei Windungen konstruiert werden könnten, könnten MRTs unter höheren Magnetfeldern betrieben werden, um klarere, tiefere Bilder des menschlichen Körpers zu erzeugen.

Neue Beweise für Triple-Turn-Supraleitung in dreischichtigem Graphen könnten Wissenschaftlern auch dabei helfen, leistungsfähigere Supraleiter für praktisches Quantencomputing zu entwickeln.

“Der Wert dieses Experiments besteht darin, was es Ihnen über die grundlegende Supraleitung beibringt und wie sich Materialien verhalten können. Mit dieser Lektion können wir also versuchen, Prinzipien für andere Materialien zu entwickeln, die einfacher herzustellen sind und Ihnen vielleicht eine bessere Supraleitung geben.” sagt Pablo Jarillo-Herrero, Cecil und Ida Green Professor für Physik am Massachusetts Institute of Technology.

Zu den Co-Autoren des Papiers gehören Yuan Kao und die Doktoranden Jeong Min Park vom Massachusetts Institute of Technology, Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi vom National Institute of Materials Science in Japan.

seltsame Verwandlung

Supraleitende Materialien zeichnen sich durch ihre hocheffiziente Fähigkeit aus, Strom ohne Energieverlust zu leiten. Die Elektronen eines Supraleiters werden unter Stromeinwirkung zu „Kupferpaaren“ gepaart, die dann ungehindert durch das Material wandern, wie Fahrgäste in einem Schnellzug.

In den meisten Supraleitern hat dieses Passagierpaar entgegengesetzte Spins, wobei sich ein Elektron nach oben und das andere nach unten dreht – eine Konfiguration, die als “singulärer Spin” bekannt ist. Das Paar wird von Supraleitern beschleunigt, mit Ausnahme des hohen Magnetfelds, das die Energie jedes Elektrons in die entgegengesetzte Richtung verschieben kann, wodurch das Paar voneinander getrennt wird. Auf diese Weise und durch den Mechanismus können hohe Magnetfelder die Supraleitung in herkömmlichen Spin-Supraleitern stören.

“Dies ist der Hauptgrund, warum sich Supraleitung in ausreichend großen Magnetfeldern auflöst”, sagte Park.

Aber es gibt einige seltsame Supraleiter, die von Magnetfeldern nicht beeinflusst werden, obwohl ihre Stärken sehr groß sind. Diese Materialien sind durch Elektronenpaare mit gleichem Spin supraleitend – eine Eigenschaft, die als „Triple Spin“ bezeichnet wird. Bei einem starken Magnetfeld verschieben sich die Energien der beiden Elektronen in einem Cooper-Paar in die gleiche Richtung, sodass sie sich nicht voneinander trennen, sondern ungeachtet der Stärke des Magnetfelds störungsfrei Supraleiter bleiben.

Die Jarillo-Herrero-Gruppe wollte wissen, ob dreifach beschichtetes Graphen mit magischem Winkel Hinweise auf die ungewöhnliche Supraleitung mit drei Windungen liefern könnte. Das Team hat bahnbrechende Arbeit geleistet, um die Struktur von Graphen-Moiré zu untersuchen – atomar dünne Schichten eines Kohlenstoffgitters, die, wenn sie in bestimmten Winkeln gestapelt werden, ein überraschendes elektronisches Verhalten verursachen können.

Die Forscher berichteten zunächst von solchen seltsamen Eigenschaften in zwei kantigen Graphenschichten, die sie magisches Doppelschicht-Graphen nannten. Sie folgten sofort Tests von dreischichtigem Graphen, einer Sandwich-Formation aus drei Graphenschichten, die sich als stärker als ihr zweischichtiges Gegenstück erwies, während sie ihre Supraleitfähigkeit bei höheren Temperaturen beibehielt. Als die Forscher ein einfaches Magnetfeld anlegten, stellten sie fest, dass das dreischichtige Graphen bei einer Feldstärke supraleitend war, die die Supraleitung in zweischichtigem Graphen zerstören würde.

“Wir dachten, das sei eine sehr seltsame Sache”, sagte Jarilo Herrero.

magisches Comeback

In ihrer neuen Studie testeten die Physiker die Supraleitfähigkeit von dreischichtigem Graphen unter immer höheren Magnetfeldern. Sie stellten das Material her, indem sie eine dünne Kohlenstoffschicht von einem Graphitblock ablösten, die drei Schichten übereinander stapelten und die mittlere Schicht gegenüber der äußeren Schicht um 1,56 Grad drehten. Sie befestigten Elektroden an beiden Enden des Materials, um Strom durch es zu fließen, und maßen die dabei verlorene Energie. Dann schalteten sie im Labor einen großen Magneten ein, dessen Feld sie parallel zum Material richteten.

Als sie das Magnetfeld um das dreischichtige Graphen erhöhten, stellten sie fest, dass die Supraleitung ziemlich stark anhielt, bevor sie verschwand, aber dann interessanterweise bei höheren Feldstärken wieder auftauchte – ein sehr ungewöhnliches Erwachen, das bei herkömmlichen Supraleitern nicht bekannt ist.

„Wenn man bei Singleturn-Supraleitern die Supraleitung zerstört, kommt sie nie wieder zurück – sie ist für immer weg“, sagte Kao. „Hier ist er wieder aufgetaucht. Das zeigt also deutlich, dass dieses Material nicht stückweise ist.”

Sie stellen auch fest, dass die Supraleitung nach dem „Wiedereintritt“ bis zu 10 Tesla anhält, der maximalen Feldstärke, die ein Labormagnet erzeugen kann. Dies ist etwa dreimal höher als das, was ein Supraleiter aushalten müsste, wenn er ein konventioneller Einzelspin wäre, nach dem Pauli-Limit, einer Theorie, die das maximale Magnetfeld vorhersagt, über das ein Material Supraleitung aufrechterhalten kann.

Das Aufkommen der Supraleitfähigkeit von Dreischicht-Graphen in Kombination mit seiner unerwartet hohen Stabilität in Magnetfeldern schließt die Möglichkeit aus, dass es sich bei dem Material um einen gewöhnlichen Supraleiter handelt. Stattdessen ist es wahrscheinlicher, dass diese sehr seltene Spezies, vielleicht ein Triplett, ein Cooper-Paar beherbergte, das durch das Material raste und für starke Magnetfelder undurchlässig war. Das Team plant, in das Material zu bohren, um den genauen Spinzustand zu bestätigen, was dazu beitragen könnte, leistungsfähigere MRTs sowie leistungsfähigere Quantencomputer zu entwickeln.

„Normales Quantencomputing ist sehr fragil“, sagt Jarillo Herrero. „Du siehst es an und es verschwindet Schwuchtel. Vor etwa 20 Jahren schlugen Theoretiker eine Art topologischer Supraleitung vor, die, wenn sie in einem beliebigen Material erreicht wird, [enable] Ein Quantencomputer, bei dem der für die Berechnung zuständige Staat sehr leistungsfähig ist. Dies wird mehr und mehr unbegrenzte Leistung zur Verfügung stellen, um Berechnungen durchzuführen. Das Schlüsselelement, auf das man achten sollte, ist der Tripel-Spin-Supraleiter eines bestimmten Typs. Wir wissen nicht, ob unsere Spezies so ist. Aber selbst wenn dies nicht der Fall wäre, könnte es die Platzierung von dreischichtigem Graphen mit anderen Materialien erleichtern, um diese Art von Supraleitung zu entwickeln. Dies kann ein großartiger Hack sein. Aber es ist noch zu früh.”

Referenz: „Durchbruch der Pauli-Grenze und Wiedereintritt der Supraleitung in Ripple-Graphen“ Von Yuan Kao, Park Jeong Min, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi und Pablo Jarillo-Herrero, 21. Juli 2021, Natur.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-y

Diese Forschung wurde vom US-Energieministerium, der National Science Foundation, der Gordon and Betty Moore Foundation, der Ramon Arises Foundation und dem Sevare Quantum Materials Program unterstützt.

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