Förra året, forskare visade att vriden dubbelskiktsgrafen - ett material tillverkat av två atomtunna ark av kol med en liten vridning - kan uppvisa alternerande supraledande och isolerande områden. Nu, en ny studie i tidskriften Natur av forskare från Spanien, USA., Kina och Japan visar att supraledning kan slås på eller av med en liten spänningsförändring, öka dess användbarhet för elektroniska enheter.

"Det är lite av en fysiks heliga gral att skapa ett material som har supraledning vid rumstemperatur, " University of Texas at Austin fysiker Allan MacDonald sa. "Så det är en del av motivationen för det här arbetet:att förstå högtemperatursupraledning bättre."

Upptäckten är ett betydande framsteg inom ett framväxande område som kallas Twistronics, vars pionjärer inkluderar MacDonald och ingenjören Emanuel Tutuc, också från University of Texas i Austin. Det tog flera år av hårt arbete av forskare runt om i världen för att omvandla MacDonalds ursprungliga insikt om material med dessa konstiga egenskaper, men det var värt att vänta.

Hitta supraledning på udda ställen

Under 2011, MacDonald, en teoretisk fysiker som använder kvantmatematik och datormodellering för att studera tvådimensionella material, gjorde en oväntad upptäckt. Tillsammans med Rafi Bistritzer, en postdoktor, han arbetade med att bygga enkla men exakta modeller av hur elektroner beter sig i staplade 2D-material – material med en atomtjocklek – när ett lager vrids något i förhållande till de andra. Det till synes oberäkneliga problemet, MacDonald trodde, skulle kunna förenklas avsevärt genom att fokusera på en nyckelparameter i systemet.

Den strategi som MacDonald och Bistritzer använde visade sig vara framgångsrik. Överraskningen kom senare. När de tillämpade sin metod på vriden dubbelskiktsgrafen, ett system som består av två lager av kolatomer, de fann att vid en mycket specifik vinkel på cirka 1,1 grader - som de kallade den "magiska vinkeln" - betedde sig elektronerna på ett konstigt och extraordinärt sätt, plötsligt rör sig mer än 100 gånger långsammare.

Varför detta var fallet och vad det skulle innebära för vetenskapen skulle ta år att upptäcka.

På kort sikt, upptäckten ignorerades till stor del eller avfärdades. Resultatet verkade för ovanligt för att tro. Dessutom, det var inte uppenbart att skapa ett fysiskt exempel på ett sådant system, med en så exakt placering av de tvådimensionella arken, var fysiskt möjligt.

Men alla var inte tveksamma eller skrämda av resultaten. Några experimentalister runt om i världen noterade förutsägelsen som publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences och valde att utöva den "magiska vinkeln". När 2018, för första gången, fysiker vid Massachusetts Institute of Technology skapade ett system av skiktad grafen vriden med 1,1 grader, de hittade, som MacDonald hade förutspått, att den uppvisade anmärkningsvärda egenskaper – i synnerhet, supraledning vid en överraskande hög temperatur.

"Det finns ingen enkel förklaring till varför elektroner plötsligt saktar ner, " sa MacDonald. "Tack vare senaste arbete av teoretiker vid Harvard, det finns nu en delförklaring relaterad till modeller som ofta studeras inom elementär partikelfysik. Men det finns nu en hel värld av relaterade effekter i olika skiktade 2D-material. Vriden tvåskiktsgrafen är bara en titt in i en del av det."

Supraledande material har inget elektriskt motstånd, låter elektroner resa oändligt utan att försvinna energi. De används i kvantberäkningar och skulle kunna vara spelväxlare för elektrisk överföring om de inte krävde dyr kylning.

Upptäcktes först 1911, supraledning har dokumenterats i ett antal material. Dock, de kräver alla extremt låga temperaturer för att behålla sina särskiljande egenskaper. Uppkomsten av staplade 2D-material kan förändra detta.

Upptäckten av supraledning i vriden dubbelskiktsgrafen har sedan dess gett bränsle till ett blomstrande delfält med ett catchy namn – Twistronics – och en brådska att utveckla tekniken ytterligare.

Ett decennium av hängivna studier

Ända sedan upptäckten av grafen av Andre Geim och Konstantin Novoselov vid University of Manchester 2004 (som slutligen ledde till ett Nobelpris i fysik 2010), MacDonald har varit fascinerad av dessa konstiga, tvådimensionella system och den nya fysik de kan innehålla.

Han började studera materialet nästan omedelbart och, sedan 2004, har använt superdatorer vid Texas Advanced Computing Center (TACC) för att utforska den elektroniska strukturen hos grafen och andra 2D-material.

"Mitt arbete handlar om att förutsäga ovanliga fenomen som inte har setts tidigare, eller försöker förstå fenomen som inte är väl förstådda, " sa MacDonald. "Jag dras till teorier som kopplar direkt till saker som faktiskt händer, och jag är intresserad av matematikens och teorins kraft för att beskriva den verkliga världen."

De märkliga egenskaperna hos skiktade 2D-material verkar relatera till interaktioner, som blir mycket mer avgörande när elektroner saktar ner, inducerar starka korrelationer mellan individuella elektroner. Vanligtvis, elektroner cirklar nästan separat runt kärnan i atomära orbitaler, att bosätta sig i kvanttillstånd med de lägsta tillgängliga energierna. Detta verkar inte vara fallet i magisk vinkelgrafen.

"I grund och botten, inget mycket intressant kan hända när elektronerna organiserar sig som de gör i en atom genom att ockupera orbitaler med lägsta energi, " sa MacDonald. "Men när deras öde väl bestäms av interaktioner mellan elektronerna, då kan intressanta saker hända."

Hur går man ens tillväga för att studera vad som händer i skiktade 2-D-system – känt, tekniskt, som van der Waals heterostrukturer? Att "se" elektroner i rörelse är näst intill omöjligt. Mätningar ger ledtrådar, men resultaten är sneda och ofta kontraintuitiva. Datormodeller, MacDonald tror, kan bidra till att lägga till den framväxande bilden av instängda elektroner.

Datormodeller som representerar klassisk elektronisk struktur är väl utvecklade och mycket exakta i de flesta fall, men de måste justeras inför heteroövergångarnas konstiga fysik.

Att ändra dessa faktorer innebär att skriva om den rådande modellen för att spegla beteendet hos starkt interagerande elektroner, en uppgift som MacDonald och forskare i hans labb för närvarande arbetar med, med hjälp av TACC:s Stampede2-superdator – en av de mest kraftfulla i världen – för att testa modeller och köra simuleringar. Dessutom, allt större antal elektroner måste inkluderas för att exakt replikera resultaten som kommer från laboratorier runt om i världen.

"Det verkliga systemet har miljarder elektroner, " MacDonald förklarade. "När du ökar antalet elektroner, du överträffar snabbt kapaciteten hos vilken dator som helst. Så, ett av tillvägagångssätten vi använder, i arbetet ledd av Pawel Potasz – en besökare från Polen – är att lösa det elektroniska problemet för ett litet antal elektroner och extrapolera beteendet till stora antal."

Tillämpa teori på aldrig tidigare skådade system

Under arbetet med att omforma elektroniska strukturmodeller och skala dem till ett allt större antal elektroner, MacDonald har fortfarande tid att samarbeta med experimentella grupper runt om i världen, lägga till sina teoretiska och beräkningsmässiga insikter till sina resultat.

I åratal efter upptäckten av magisk vinkel, praktiska svårigheter att skapa rena former av skiktade 2D-material med exakta rotationsvinklar begränsade fältet. Men 2016, en annan UT-forskare, Emanuel Tutuc, och hans doktorand, Kyounghwan Kim, utvecklat en pålitlig metod för att skapa sådana system, inte bara med grafen, men av ett antal olika 2D-material.

"Genombrottet var verkligen en teknik som min elev introducerade, som består av att ta ett stort lager, dela det i två och ta ett segment och lägga det ovanpå det andra, " sa Tutuc.

Anledningen som inte hade implementerats tidigare är att det är mycket svårt att plocka upp en mikronstor bit av atomtjockt material. Kim uppfann en klibbig, halvsfäriskt handtag som kan lyfta upp en enskild flaga, lämnar allt annat i sin närhet intakt.

"När det väl var gjort, möjligheterna blev oändliga, " fortsatte han. "Inte långt efter, samma elev sa, 'OK, nu när vi kan anpassa dem med den riktigt höga noggrannheten, låt oss gå vidare och vrida dem.' Så det var nästa steg."

Under de senaste åren har MacDonald och hans team har utforskat högar om tre, fyra eller fem lager grafen, såväl som annat lovande material, särskilt övergångsmetallkalkogenider, söker efter ovanliga – och potentiellt användbara – fenomen.

Skriver in Natur i februari 2019, MacDonald, Tutuc, UT Austin fysiker Elaine Li, och ett stort internationellt team beskrev observationen av indirekta excitoner i ett molybdendiselenid/volframdiselenid (MoSe2/WSe2) heterobillager med en liten vridningsvinkel.

Excitoner är kvasipartiklar som består av en elektron och ett hål som attraherar och håller varandra på plats. Dessa finns vanligtvis inom ett enda lager. Dock, med vissa 2D-material, det är möjligt för dem att existera på olika lager, vilket avsevärt ökar hur länge de existerar. Detta kan möjliggöra superfluiditet, det obehindrade flödet av vätskor – en egenskap som tidigare bara setts i flytande helium.

Nu, MacDonald och ett team från Spanien, Kina och Japan har publicerat en studie i Natur av magisk vinkelgrafen som visade att materialet kan uppvisa alternerande supraledande och isolerande faser som kan slås på eller av med en liten spänningsförändring, liknande de spänningar som används i integrerade kretsar, öka dess användbarhet för elektroniska enheter. För att uppnå detta resultat, teammedlemmar från Catalan Institute for Optical Physics producerade grafen supergitter med mer enhetliga vändningar än vad som tidigare varit möjligt. Därvid, de upptäckte att mönstret av sammanflätade isolerande och supraledande tillstånd är ännu mer komplicerat än förutspått.

TACC-superdatorer är ett avgörande verktyg i MacDonalds forskning och användes för den teoretiska modelleringen av data under den senaste tiden Natur papper.

"Många av de saker vi gör, vi kunde inte klara oss utan en högpresterande dator, ", hävdade han. "Vi börjar springa på ett skrivbord och sedan fastnar vi snabbt. Så väldigt ofta, att använda en superdator är skillnaden mellan att kunna få ett tillfredsställande svar och att inte kunna få ett tillfredsställande svar."

Även om resultaten av beräkningsexperiment kan verka mindre omedelbara eller "verkliga" än de i ett labb, som MacDonald har visat, resultaten kan avslöja nya vägar för utforskning och hjälpa till att belysa universums mysterier.

"Det som har stimulerat mitt arbete är att naturen alltid ställer till nya problem. Och när du ställer en ny typ av frågor, du vet inte i förväg vad svaret är, " sa MacDonald. "Forskning är ett äventyr, ett samhällsäventyr, en kollektiv slumpmässig promenad, genom vilken kunskap går framåt."