Våren 2018, den överraskande upptäckten av supraledning i ett nytt material satte det vetenskapliga samfundet i rörelse. Byggd genom att lägga ett kolark ovanpå ett annat och vrida det översta i en "magisk" vinkel, materialet gjorde det möjligt för elektroner att flöda utan motstånd, en egenskap som dramatiskt kan öka energieffektiv kraftöverföring och inleda en mängd nya tekniker.

Nu, nya experiment som utförts på Princeton ger tips om hur detta material-känt som magisk vinkelförvrängd grafen-ger upphov till supraledning. I veckans nummer av tidningen Natur , Princeton -forskare ger fasta bevis för att det superledande beteendet härrör från starka interaktioner mellan elektroner, ger insikter i de regler som elektroner följer när supraledning framträder.

"Detta är ett av de hetaste ämnena inom fysik, "sade Ali Yazdani, klassen 1909 professor i fysik och senior författare till studien. "Detta är ett material som är otroligt enkelt, bara två ark kol som du klistrar på varandra och det visar supraledning. "

Exakt hur supraledning uppstår är ett mysterium som laboratorier runt om i världen försöker lösa. Fältet har till och med ett namn, "twistronics."

En del av spänningen är att, jämfört med befintliga superledare, materialet är ganska lätt att studera eftersom det bara har två lager och bara en typ av atom - kol.

"Det viktigaste med det här nya materialet är att det är en lekplats för alla dessa typer av fysik som människor har tänkt på under de senaste 40 åren, "sa B. Andrei Bernevig, en professor i fysik specialiserad på teorier för att förklara komplexa material.

Superledningen i det nya materialet verkar fungera med en fundamentalt annorlunda mekanism än traditionella superledare, som idag används i kraftfulla magneter och andra begränsade applikationer. Detta nya material har likheter med kopparbaserade, supraledare vid hög temperatur som upptäcktes på 1980-talet kallade kuprater. Upptäckten av koppar ledde till Nobelpriset i fysik 1987.

Det nya materialet består av två atomtunna kolark som kallas grafen. Också föremål för ett Nobelpris i fysik, år 2010, grafen har ett platt bikakemönster, som ett ark kycklingtråd. I mars 2018, Pablo Jarillo-Herrero och hans team vid Massachusetts Institute of Technology placerade ett andra lager av grafen ovanpå det första, roterade sedan det övre arket med den "magiska" vinkeln på cirka 1,1 grader. Denna vinkel hade tidigare förutsetts av fysiker att orsaka nya elektroninteraktioner, men det kom som en chock när MIT -forskare visade supraledning.

Sett uppifrån, de överlappande kycklingtrådsmönstren ger en flimrande effekt som kallas "moiré, "som uppstår när två geometriskt regelbundna mönster överlappar varandra, och som en gång var populär i tygerna och mode för 1600- och 1700 -talets kungligheter.

Dessa moirémönster ger upphov till helt nya egenskaper som inte ses i vanliga material. De flesta vanliga material faller i ett spektrum från isolerande till ledande. Isolatorer fäller elektroner i energifickor eller nivåer som håller dem på plats, medan metaller innehåller energitillstånd som tillåter elektroner att flita från atom till atom. I båda fallen, elektroner upptar olika energinivåer och interagerar inte eller deltar inte i kollektivt beteende.

I vriden grafen, dock, den fysiska strukturen hos moirégitteret skapar energistater som hindrar elektroner från att stå isär, tvingar dem att interagera. "Det skapar ett tillstånd där elektronerna inte kan komma ur varandras väg, och istället måste de alla ha samma energinivåer, vilket är utmärkt villkor för att skapa starkt intrasslade stater, "Sa Yazdani.

Frågan forskarna tog upp var om denna intrassling har något samband med dess supraledning. Många enkla metaller också supraledning, men alla högtemperatur superledare som hittills hittats, inklusive kopparna, visa starkt intrasslade tillstånd som orsakas av ömsesidig avstötning mellan elektroner. Den starka interaktionen mellan elektroner verkar vara en nyckel för att uppnå högre temperatur supraledning.

För att ta upp denna fråga, Princetons forskare använde ett skanningstunnelmikroskop som är så känsligt att det kan avbilda enskilda atomer på en yta. Teamet skannade prover av magiskt vinkelförvridet grafen där de kontrollerade antalet elektroner genom att applicera en spänning på en närliggande elektrod. Studien gav mikroskopisk information om elektronbeteende i twisted bilayer graphene, De flesta andra studier hittills har endast övervakat makroskopisk elektrisk ledning.

Genom att slå antalet elektroner till mycket låga eller mycket höga koncentrationer, forskarna observerade elektroner som beter sig nästan oberoende, som de skulle göra i enkla metaller. Dock, vid den kritiska koncentrationen av elektroner där supraledning upptäcktes i detta system, elektronerna visade plötsligt tecken på stark interaktion och intrassling.

Vid den koncentration där supraledning uppstod, laget fann att elektronenerginivåerna blev oväntat breda, signaler som bekräftar stark interaktion och intrassling. Fortfarande, Bernevig betonade att medan dessa experiment öppnar dörren för vidare studier, mer arbete måste göras för att i detalj förstå vilken typ av trassel som sker.

"Det finns fortfarande så mycket vi inte vet om dessa system, "sa han." Vi är inte i närheten av att ens skrapa ytan av det som kan läras genom experiment och teoretisk modellering. "

Bidragare till studien inkluderade Kenji Watanabe och Takashi Taniguchi från National Institute for Material Science i Japan; doktorand och första författare Yonglong Xie, postdoktor Berthold Jäck, postdoktoral forskningsassistent Xiaomeng Liu, och doktorand Cheng-Li Chiu i Yazdanis forskargrupp; och Biao Lian i Bernevigs forskargrupp.