Placera ett enda ark kol ovanpå ett annat i en liten vinkel och anmärkningsvärda egenskaper framträder, inklusive det högt uppskattade motståndsfria strömflödet som kallas supraledning.

Nu har ett team av forskare vid Princeton letat efter ursprunget till detta ovanliga beteende i ett material som kallas magic-angle twisted bilayer graphene, och upptäckte signaturer av en kaskad av energiövergångar som kan hjälpa till att förklara hur supraledning uppstår i detta material. Tidningen publicerades online den 11 juni i tidskriften Natur .

"Denna studie visar att elektronerna i magisk vinkelgrafen är i ett starkt korrelerat tillstånd redan innan materialet blir supraledande, sa Ali Yazdani, Klass av 1909 professor i fysik, ledaren för teamet som gjorde upptäckten. "Den plötsliga förskjutningen av energier när vi lägger till eller tar bort en elektron i detta experiment ger en direkt mätning av styrkan i interaktionen mellan elektronerna."

Detta är viktigt eftersom dessa energihopp ger ett fönster till elektronernas kollektiva beteenden, såsom supraledning, som dyker upp i magisk vinkel vriden dubbelskiktsgrafen, ett material som består av två lager grafen där det övre arket roteras med en liten vinkel i förhållande till det andra.

I vardagliga metaller, elektroner kan röra sig fritt genom materialet, men kollisioner mellan elektroner och från vibrationer av atomer ger upphov till motstånd och förlust av viss elektrisk energi som värme - vilket är anledningen till att elektroniska enheter blir varma under användning.

I supraledande material, elektroner samarbetar. "Elektronerna dansar typ med varandra, sa Biao Lian, en postdoktoral forskarassistent vid Princeton Center for Theoretical Science som kommer att bli biträdande professor i fysik i höst, och en av de första författarna till studien. "De måste samarbeta för att gå in i ett så anmärkningsvärt tillstånd."

Genom vissa åtgärder, magisk vinkel grafen, upptäcktes för två år sedan av Pablo Jarillo-Herrero och hans team vid Massachusetts Institute of Technology (MIT), är en av de starkaste supraledare som någonsin upptäckts. Supraledning är relativt robust i detta system även om det uppstår när det finns väldigt få fritt rörliga elektroner.

Forskarna satte sig för att utforska hur den unika kristallstrukturen hos magisk vinkelgrafen möjliggör kollektiva beteenden. Elektroner har inte bara en negativ laddning, men också två andra egenskaper:vinkelmoment eller "spin, " och möjliga rörelser i kristallstrukturen som kallas "daltillstånd". Kombinationer av spin och dal utgör de olika "smakerna" av elektroner.

Teamet ville särskilt veta hur dessa smaker påverkar kollektiva beteenden, så de utförde sina experiment vid temperaturer strax över punkten där elektronerna interagerar starkt, som forskarna liknade med beteendenas föräldrafas.

"Vi mätte kraften mellan elektronerna i materialet vid högre temperaturer i hopp om att förstå denna kraft kommer att hjälpa oss att förstå supraledaren som den blir vid lägre temperaturer, sa Dillon Wong, en postdoktor vid Princeton Center for Complex Materials och en av de första författare.

De använde ett verktyg som heter ett skanningstunnelmikroskop, där en ledande metallspets kan lägga till eller ta bort en elektron från magisk vinkelgrafen och detektera det resulterande energitillståndet för den elektronen.

Eftersom starkt interagerande elektroner motstår tillsatsen av en ny elektron, det kostar en del energi att lägga till den extra elektronen. Forskarna kan mäta denna energi och utifrån den bestämma styrkan hos interaktionskraften.

"Jag lägger bokstavligen en elektron i och ser hur mycket energi det kostar att trycka in den här elektronen i det kooperativa badet, sa Kevin Nuckolls, en doktorand vid institutionen för fysik, också en medförfattare.

Teamet fann att tillsatsen av varje elektron orsakade ett hopp i mängden energi som behövs för att lägga till ytterligare en - vilket inte skulle ha varit fallet om elektronerna kunde gå in i kristallen och sedan röra sig fritt bland atomerna. Den resulterande kaskaden av energiövergångar resulterade från ett energihopp för var och en av elektronernas smaker – eftersom elektroner måste anta lägsta möjliga energitillstånd samtidigt som de inte har samma energi och samma smak som andra elektroner på samma plats i kristallen .

En nyckelfråga på området är hur styrkan av interaktioner mellan elektroner står sig i jämförelse med de energinivåer som elektronerna skulle ha haft i frånvaro av sådana interaktioner. I de flesta vanliga och lågtemperatursupraledare, detta är en liten korrigering, men i sällsynta högtemperatursupraledare, interaktionerna mellan elektroner tros förändra elektronernas energinivåer dramatiskt. Supraledning i närvaro av en sådan dramatisk påverkan av interaktioner mellan elektroner är mycket dåligt förstådd.

De kvantitativa mätningarna av de plötsliga skiftningar som upptäckts av forskarna bekräftar bilden av att magisk vinkelgrafen tillhör klassen av supraledare med stark interaktion mellan elektronerna.

Grafen är ett enatoms tunt lager av kolatomer, som, på grund av kolets kemiska egenskaper, ordna sig i ett platt bikakegaller. Forskarna skaffar grafen genom att ta ett tunt block av grafit – samma rena kol som används i pennor – och ta bort det översta lagret med tejp.

De staplar sedan två atomtunna lager och roterar det översta lagret med exakt 1,1 grader – den magiska vinkeln. Detta gör att materialet blir supraledande, eller uppnå ovanliga isolerande eller magnetiska egenskaper.

"Om du har 1,2 grader, det är dåligt. Dess, det är bara en intetsägande metall. Det händer inget intressant. Men om du är på 1,1 grader, du ser allt detta intressanta beteende, " sa Nuckolls.

Denna snedställning skapar ett arrangemang som kallas ett moirémönster för dess likhet med ett franskt tyg.

För att genomföra experimenten, forskarna byggde ett tunnelmikroskop i källaren i Princetons fysikbyggnad, Jadwin Hall. Så hög att den upptar två våningar, mikroskopet sitter ovanpå en granitplatta, som flyter på luftfjädrar. "Vi måste isolera utrustningen mycket exakt eftersom den är extremt känslig för vibrationer, " sa Myungchul Oh, en postdoktoral forskarassistent och medförfattare.

Dillon Wong, Kevin Nuckolls, Myungchul Åh, och Biao Lian bidrog lika mycket till arbetet.

Ytterligare bidrag gjordes av Yonglong Xie, som tog sin Ph.D. 2019 och är nu postdoktor vid Harvard University; Sangjun Jeon, som nu är biträdande professor vid Chung-Ang University i Seoul; Kenji Watanabe och Takashi Taniguchi från National Institute for Material Science (NIMS) i Japan; och Princeton professor i fysik B. Andrei Bernevig.

En liknande kaskad av elektroniska fasövergångar noterades i en artikel som publicerades samtidigt i Natur den 11 juni av ett team ledd av Shahal Ilani vid Weizmann Institute of Science i Israel och med Jarillo-Herrero och kollegor vid MIT, Takashi Taniguchi och Kenji Watanabe från NIMS Japan, och forskare vid Free University of Berlin.

"Weizmann-teamet observerade samma övergångar som vi gjorde med en helt annan teknik, " sade Yazdani. "Det är trevligt att se att deras data är kompatibla med både våra mätningar och vår tolkning."

Studien, "Kaskad av elektroniska övergångar i magisk vinkel vriden dubbelskiktsgrafen, " av Dillon Wong, Kevin P. Nuckolls, Myungchul Åh, Biao Lian, Yonglong Xie, Sangjun Jeon, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, B. Andrei Bernevig, och Ali Yazdani, publicerades 11 juni i tidskriften Natur .