MIT fizikçileri, ‘sihirli açı’ üç katmanlı grafenin nadir, manyetik dirençli bir süper iletken olabileceğini keşfettiler.

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki fizikçiler, bükülmüş üç katmanlı grafenin “sihirli açısı” olarak adlandırılan bir malzemede nadir görülen bir tür süperiletkenlik belirtileri fark ettiler. Kredi: Pablo Jarillo-Herrero, Yuan Cao, Jeong Min Park ve diğerlerinin izniyle

Yeni bulgular, daha güçlü MRI makineleri veya güçlü kuantum bilgisayarları tasarlamaya yardımcı olabilir.

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki fizikçiler, sihirli açıyla bükülmüş üç katmanlı grafen adı verilen bir malzemede nadir görülen bir tür süper iletkenlik belirtileri fark ettiler. ortaya çıkan bir çalışmada doğaAraştırmacılar, malzemenin, geleneksel bir süper iletken olsaydı, malzemenin dayanması beklenenden üç kat daha yüksek olan 10 Tesla’ya kadar şaşırtıcı derecede yüksek manyetik alanlarda süper iletkenlik sergilediğini bildiriyor.

Sonuçlar, başlangıçta aynı grup tarafından keşfedilen sihirli üç katmanlı grafenin, yüksek manyetik alanlardan etkilenmeyen, “döndürme üçlüsü” olarak bilinen çok nadir bir tür süper iletken olduğunu kuvvetle önerir. Bu tür egzotik süper iletkenler, biyolojik dokularla rezonansa girmek ve onları görüntülemek için bir manyetik alan altında süper iletken teller kullanan manyetik rezonans görüntüleme gibi teknikleri büyük ölçüde geliştirebilir. MRI makineleri şu anda 1 ila 3 Tesla arasındaki manyetik alanlarla sınırlıdır. Üçlü dönüşlü süper iletkenler kullanılarak inşa edilebilirlerse, MRI insan vücudunun daha net ve daha derin görüntülerini üretmek için daha yüksek manyetik alanlar altında çalışabilir.

Üç katmanlı grafende üçlü spin süper iletkenliği için yeni kanıtlar, bilim adamlarının pratik kuantum hesaplama için daha güçlü süper iletkenler tasarlamasına da yardımcı olabilir.

“Bu deneyin değeri, bize temel süperiletkenlik ve malzemelerin nasıl davranabileceği hakkında öğrettiği şeydir, böylece bu derslerle, üretilmesi daha kolay olan diğer malzemeler için ilkeler tasarlamaya çalışabiliriz ve belki bu size daha iyi süperiletkenlik verir, ” diyor Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde Cecil ve Ida Green Fizik Profesörü Pablo Jarillo-Herrero.

Makaledeki ortak yazarlar arasında Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden Yuan Kao ve yüksek lisans öğrencisi Jeong Min Park, Japonya’daki Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü’nden Kenji Watanabe ve Takashi Taniguchi yer alıyor.

garip dönüşüm

Süper iletken malzemeler, enerji kaybı olmadan elektriği iletme konusundaki yüksek verimli yetenekleriyle tanımlanır. Bir elektrik akımına maruz kaldığında, bir süper iletkendeki elektronlar “bakır çiftleri” halinde birleşir ve daha sonra hızlı bir trendeki yolcular gibi materyalin içinden direnç göstermeden geçerler.

Süperiletkenlerin büyük çoğunluğunda, bu yolcu çiftleri, bir elektronun yukarı ve diğerinin aşağı dönmesiyle zıt bir dönüşe sahiptir – “spin tekil” olarak bilinen bir konfigürasyon. Bu çiftler, her elektronun enerjisini zıt yönlerde kaydırabilen ve çifti birbirinden ayırabilen yüksek manyetik alanlar dışında, bir süper iletken tarafından hızlandırılır. Bu şekilde ve mekanizmalar aracılığıyla, yüksek manyetik alanlar geleneksel spin süperiletkenlerdeki süperiletkenliği bozabilir.

Park, “Yeterince büyük bir manyetik alanda süperiletkenliğin kaybolmasının nihai nedeni budur” diyor.

Ancak manyetik alanlardan, hatta çok büyük güçlerden etkilenmeyen birkaç garip süperiletken var. Bu malzemeler, aynı dönüşe sahip elektron çiftleri aracılığıyla süper iletkendir – “üçlü dönüş” olarak bilinen bir özellik. Yüksek manyetik alanlara maruz kaldığında, Cooper çiftindeki her iki elektronun enerjisi, birbirlerinden ayrılmadıkları ve manyetik alanın gücü ne olursa olsun, bozulmadan süperiletkenliğe devam edecekleri şekilde aynı yönde kayar.

Jarillo-Herrero’nun grubu, üç katmanlı sihirli açılı grafenin olağandışı üçlü dönüşlü süper iletkenliğe dair ipuçları taşıyıp taşımayacağını merak ediyordu. Ekip, belirli açılarda istiflendiğinde şaşırtıcı elektronik davranışlara yol açabilen, atom inceliğinde karbon kafes katmanları olan grafen hareli yapıları inceleyen çığır açan bir çalışma üretti.

Araştırmacılar başlangıçta, sihirli çift katmanlı grafen olarak adlandırdıkları iki açılı grafen yaprağında bu tür tuhaf özellikler bildirdiler. Kısa süre sonra, süper iletkenliğini daha yüksek sıcaklıklarda korurken, iki katmanlı muadilinden daha güçlü olduğu bulunan üç yaprak grafenden oluşan bir sandviç oluşumu olan üç katmanlı grafen testlerini izlediler. Araştırmacılar mütevazı bir manyetik alan uyguladığında, üç katmanlı grafenin, iki katmanlı grafendeki süper iletkenliği yok edecek alan kuvvetlerinde süper iletkenlik yeteneğine sahip olduğunu fark ettiler.

Jarilo Herrero, “Bunun çok garip bir şey olduğunu düşündük” diyor.

mucizevi geri dönüş

Fizikçiler yeni çalışmalarında, giderek artan manyetik alanlar altında üç katmanlı grafenin süper iletkenliğini test ettiler. Malzemeyi, bir grafit bloğundan ince karbon katmanlarını pul pul dökerek, üç katmanı üst üste istifleyerek ve orta katmanı dış katmanlara göre 1.56 derece döndürerek ürettiler. Malzemenin her iki ucuna bir elektrot bağlayarak içinden bir akım geçirdiler ve süreçte kaybolan enerjiyi ölçtüler. Daha sonra malzemeye paralel olarak yönlendirdikleri bir alanla laboratuvarda büyük bir mıknatısı çalıştırdılar.

Üç katmanlı grafenin etrafındaki manyetik alanı arttırdıklarında, süperiletkenliğin kaybolmadan önce oldukça güçlü bir şekilde tutulduğunu, ancak daha sonra merak uyandıracak şekilde daha yüksek alan kuvvetlerinde yeniden ortaya çıktığını fark ettiler – geleneksel süperiletkenlerde meydana geldiği bilinmeyen çok sıra dışı bir canlanma.

Kao, “Tek dönüşlü süper iletkenlerde, süperiletkenliği öldürürseniz asla geri gelmez – sonsuza dek yok olur” diyor. “Burada tekrar ortaya çıktı. Yani bu kesinlikle bu malzemenin tek parça olmadığını gösteriyor.”

Ayrıca, “yeniden girişten” sonra süper iletkenliğin, bir laboratuvar mıknatısının üretebileceği maksimum alan gücü olan 10 Tesla’ya kadar devam ettiğini belirttiler. Bu, bir malzemenin süper iletkenliği koruyabileceği maksimum manyetik alanı öngören bir teori olan Pauli limitine göre, geleneksel bir spin tekli olsaydı, bir süper iletkenin dayanması gerekenden yaklaşık üç kat daha yüksektir.

Üç katmanlı grafen süper iletkenliğinin görünümü, beklenenden daha yüksek manyetik alanlardaki kararlılığıyla birleştiğinde, malzemenin sıradan bir süper iletken olma olasılığını ortadan kaldırıyor. Bunun yerine, malzemeyi hızlandıran, yüksek manyetik alanlara karşı geçirimsiz olan Cooper çiftlerine ev sahipliği yapan çok nadir, muhtemelen üçlü bir tür olması muhtemeldir. Ekip, daha güçlü MRG’lerin yanı sıra daha güçlü kuantum bilgisayarları tasarlamaya yardımcı olabilecek hassas dönüş durumunu doğrulamak için malzemeyi delmeyi planlıyor.

Jarillo Herrero, “Düzenli kuantum hesaplama çok kırılgandır” diyor. “Bakıyorsunuz ve homo kayboluyor. Yaklaşık 20 yıl önce, teorisyenler, herhangi bir malzemede elde edilirse, bir tür topolojik süperiletkenlik önerdiler. [enable] Hesaplamadan sorumlu durumların çok güçlü olduğu bir kuantum bilgisayar. Bu, hesaplama yapmak için daha fazla sonsuz güç verecektir. Dikkat edilmesi gereken kilit unsur, belirli bir tipteki üçlü dönüşlü süperiletkenlerdir. Türümüzün bu türden olup olmadığı hakkında hiçbir fikrimiz yok. Ancak durum böyle olmasa bile, bu tür bir süper iletkenliği tasarlamak için üç katmanlı grafenin diğer malzemelerle yerleştirilmesini kolaylaştırabilir. Harika bir hack olabilir. Ama henüz çok erken.”

Referans: “Pauli sınırının ihlali ve süper iletkenliğin dalgalanma grafenine yeniden girişi” Yuan Kao, Jeong Min Park, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi ve Pablo Jarillo-Herrero, 21 Temmuz 2021, doğa.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-y

Bu araştırma ABD Enerji Bakanlığı, Ulusal Bilim Vakfı, Gordon ve Betty Moore Vakfı, Ramon Arise Vakfı ve Sevare Quantum Materials Program tarafından desteklenmiştir.