Οι φυσικοί του MIT πέτυχαν μια σημαντική πρόοδο στην αναζήτηση για υπεραγωγούς σε θερμοκρασία δωματίου, παρέχοντας την πιο άμεση μέχρι τώρα απόδειξη ότι το γραφένιο με στριμμένες τρεις στρώσεις στη «μαγική γωνία» εμφανίζει μη συμβατική υπεραγωγιμότητα. Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science στις 6 Νοεμβρίου, θα μπορούσαν να επιταχύνουν τη σχεδίαση υλικών που άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα με μηδενική αντίσταση σε πρακτικές θερμοκρασίες.
Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον Pablo Jarillo-Herrero και τους συν-συγγραφείς Jeong Min Park και Shuwen Sun, ανέπτυξε μια πρωτοποριακή πειραματική πλατφόρμα που συνδυάζει φασματοσκοπία διέλευσης με μετρήσεις ηλεκτρικής μεταφοράς για την παρατήρηση του τρόπου με τον οποίο τα ηλεκτρόνια ζευγαρώνουν στο γραφένιο με στριμμένες τρεις στρώσεις στη «μαγική γωνία» (MATTG). Σε αντίθεση με τους συμβατικούς υπεραγωγούς, όπου τα ηλεκτρόνια ζευγαρώνουν μέσω δονήσεων στο κρυσταλλικό πλέγμα, η μελέτη του MIT αποκάλυψε ένα ξεχωριστό υπεραγώγιμο χάσμα σε σχήμα V—υποδεικνύοντας ότι τα ηλεκτρόνια του MATTG ζευγαρώνουν μέσω ισχυρών ηλεκτρονικών αλληλεπιδράσεων και όχι μέσω δονήσεων του πλέγματος.
Άμεση θέαση του ζευγαρώματος ηλεκτρονίων
«Η κατανόηση ενός μη συμβατικού υπεραγωγού μπορεί να πυροδοτήσει την κατανόησή μας για τους υπόλοιπους», δήλωσε ο Τζαρίγιο-Ερρέρο, Καθηγητής Φυσικής Cecil και Ida Green στο MIT. «Αυτή η κατανόηση μπορεί να καθοδηγήσει το σχεδιασμό υπεραγωγών που λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου, για παράδειγμα, που αποτελεί κατά κάποιο τρόπο το Άγιο Δισκοπότηρο ολόκληρου του πεδίου».
Το MATTG δημιουργείται με τη στοίβαξη τριών φύλλων γραφένιου ατομικού πάχους σε μια συγκεκριμένη «μαγική γωνία» περίπου 1,56 μοίρες, σχηματίζοντας μια υπερδομή μοαρέ που προκαλεί εξωτικές κβαντικές ιδιότητες. Από τότε που η ομάδα του Τζαρίγιο-Ερρέρο παρήγαγε για πρώτη φορά το γραφένιο μαγικής γωνίας το 2018—ξεκινώντας το πεδίο της «twistronics»—οι ερευνητές έχουν παρατηρήσει ενδείξεις μη συμβατικής συμπεριφοράς σε αυτές τις στρεβλωμένες δομές.
Οι νέες μετρήσεις αποκάλυψαν ότι τα ζεύγη ηλεκτρονίων στο MATTG είναι στενά δεμένα, «σχεδόν σαν ένα μόριο», εξήγησε ο Παρκ, σε έντονη αντίθεση με τους συμβατικούς υπεραγωγούς όπου τα ζεύγη Cooper είναι χαλαρά δεμένα και διαχωρίζονται σε μεγάλες αποστάσεις. Η δομή του χάσματος σε σχήμα V αντικατοπτρίζει μια νευρική υπεραγώγιμη κατάσταση, όπου η ενεργειακή τιμή του χάσματος γίνεται μηδέν σε ορισμένα σημεία, ένα χαρακτηριστικό σημάδι μη συμβατικών μηχανισμών σύζευξης.
Παρακολουθώντας την εξέλιξη του χάσματος υπό διαφορετικές θερμοκρασίες και μαγνητικά πεδία, η ομάδα μπορούσε να συνδέσει αδιαμφισβήτητα τα φασματοσκοπικά χαρακτηριστικά με αυθεντική υπεραγωγιμότητα, εμφανιζόμενα μόνο όταν το υλικό εμφάνιζε μηδενική ηλεκτρική αντίσταση. «Το σχήμα και η συμμετρία αυτού του χάσματος μας αποκαλύπτουν τη βαθύτερη φύση της υπεραγωγιμότητας», σημείωσε ο Παρκ.
Κοιτάζοντας προς το μέλλον, οι ερευνητές σχεδιάζουν να εφαρμόσουν την πλατφόρμα τους για τη μελέτη άλλων δισδιάστατων υλικών, με πιθανό αποτέλεσμα να αναδειχθούν υποψήφιοι για πιο αποτελεσματικές τεχνολογίες και κβαντικούς υπολογιστές. «Αυτή η άμεση ματιά μπορεί να αποκαλύψει πώς τα ηλεκτρόνια ζευγαρώνουν και ανταγωνίζονται με άλλες καταστάσεις, ανοίγοντας το δρόμο για το σχεδιασμό και τον έλεγχο νέων υπεραγωγών», σημείωσε ο Παρκ.
