Блог

Aug 09, 2023

Исследование: Сверхпроводимость включается и выключается в «волшебстве»

Изображения для загрузки на веб-сайте офиса MIT News доступны

Изображения для загрузки на веб-сайте офиса новостей MIT предоставляются некоммерческим организациям, прессе и широкой публике по лицензии Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives. Вы не имеете права изменять предоставленные изображения, кроме как обрезать их до нужного размера. При воспроизведении изображений необходимо использовать кредитную линию; если оно не указано ниже, укажите авторство изображений в «MIT».

Предыдущее изображение Следующее изображение

С помощью некоторых осторожных скручиваний и укладок физики Массачусетского технологического института обнаружили новое и экзотическое свойство графена с «магическим углом»: сверхпроводимость, которую можно включать и выключать с помощью электрического импульса, очень похоже на выключатель света.

Это открытие может привести к созданию сверхбыстрых и энергоэффективных сверхпроводящих транзисторов для нейроморфных устройств — электроники, предназначенной для работы аналогично быстрому включению и выключению нейронов в человеческом мозге.

Графен с магическим углом относится к очень специфической укладке графена — материала толщиной в атом, состоящего из атомов углерода, которые соединены в шестиугольный узор, напоминающий проволочную сетку. Когда один лист графена укладывается поверх второго под точным «магическим» углом, скрученная структура создает слегка смещенный «муаровый» узор или сверхрешетку, которая способна поддерживать множество удивительных электронных поведений.

В 2018 году Пабло Харильо-Эрреро и его группа из Массачусетского технологического института первыми продемонстрировали скрученный под магическим углом двухслойный графен. Они показали, что новая двухслойная структура может вести себя как изолятор, подобно дереву, при приложении определенного непрерывного электрического поля. Когда они увеличили поле, изолятор внезапно превратился в сверхпроводник, позволяя электронам течь без трения.

Это открытие стало переломным моментом в области «твистроники», которая исследует, как определенные электронные свойства возникают в результате скручивания и наслаивания двумерных материалов. Исследователи, в том числе Харильо-Эрреро, продолжают открывать удивительные свойства графена с магическим углом, включая различные способы переключения материала между различными электронными состояниями. До сих пор такие «переключатели» действовали скорее как диммеры: исследователи должны постоянно применять электрическое или магнитное поле, чтобы включить сверхпроводимость и поддерживать ее.

Теперь Харильо-Эрреро и его команда показали, что сверхпроводимость в графене с магическим углом можно включить и поддерживать с помощью всего лишь короткого импульса, а не непрерывного электрического поля. Ключевым моментом, как они обнаружили, была комбинация скручивания и укладки.

В статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Nanotechnology, команда сообщает, что, укладывая графен под магическим углом между двумя смещенными слоями нитрида бора — двумерного изолирующего материала — уникальное выравнивание сэндвич-структуры позволило исследователям включить сверхпроводимость графена. и выключается коротким электрическим импульсом.

«Для подавляющего большинства материалов, если вы удалите электрическое поле, zzzzip, электрическое состояние исчезнет», — говорит Харилло-Эрреро, профессор физики Сесила и Иды Грин в Массачусетском технологическом институте. «Это первый случай, когда был создан сверхпроводящий материал, который можно резко включать и выключать электрически. Это может проложить путь к новому поколению витой сверхпроводящей электроники на основе графена».

Его соавторами из Массачусетского технологического института являются ведущий автор Далия Кляйн, доктор философии '21, аспирант Ли-Цяо Ся и бывший постдок Дэвид Макнил, а также Кендзи Ватанабэ и Такаши Танигучи из Национального института материаловедения в Японии.

Переключение выключателя

В 2019 году группа из Стэнфордского университета обнаружила, что графен под магическим углом можно перевести в ферромагнитное состояние. Ферромагнетики — это материалы, которые сохраняют свои магнитные свойства даже при отсутствии внешнего магнитного поля.

Исследователи обнаружили, что графен с магическим углом может проявлять ферромагнитные свойства, которые можно включать и выключать. Это произошло, когда листы графена были помещены между двумя листами нитрида бора так, что кристаллическая структура графена совпала с одним из слоев нитрида бора. Расположение напоминало сэндвич с сыром, в котором верхний ломтик хлеба и ориентация сыра выровнены, но нижний ломтик хлеба повернут под случайным углом по отношению к верхнему ломтику. Результат заинтриговал группу MIT.