Om du staplar två lager grafen ovanpå det andra, och rotera dem i en vinkel på 1,1º (inte mer och inte mindre) från varandra-den så kallade ”magiska vinkeln, 'experiment har visat att materialet kan bete sig som en isolator, där ingen elektrisk ström kan flöda, och kan samtidigt bete sig som en superledare, där elektriska strömmar kan flöda utan motstånd.

Detta stora fynd ägde rum 2018. Förra året, år 2019, medan ICFO -forskare förbättrade kvaliteten på den enhet som används för att replikera sådana genombrott, de snubblade över något ännu större och helt oväntat. De kunde observera en zoo med tidigare oobserverade supraledande och korrelerade tillstånd, förutom en helt ny uppsättning magnetiska och topologiska tillstånd, öppnar ett helt nytt område av rikare fysik.

Än så länge, det finns ingen teori som har kunnat förklara supraledning i magisk vinkelgrafen på mikroskopisk nivå. Dock, denna upptäckt har utlöst många studier, som försöker förstå och avslöja fysiken bakom alla dessa fenomen som förekommer i detta material. Särskilt, forskare drog analogier till okonventionella supraledare vid hög temperatur - kupraterna, som håller rekord högsta supraledande temperaturer, endast 2 gånger lägre än rumstemperatur. Deras mikroskopiska mekanism för supraledande fas är fortfarande inte förstådd, 30 år efter upptäckten. Dock, på samma sätt som magisk vinkel twisted bi-layer grafene (MATBG), man tror att en isolerande fas är ansvarig för den superledande fasen i närheten av den. Att förstå förhållandet mellan superledande och isolerande faser är i centrum för forskarens intresse, och kan leda till ett stort genombrott inom supraledningsforskning.

I en studie som nyligen publicerades i Natur , ICFO -forskare Petr Stepanov, Ipsita Das, Xiaobo Lu, Frank H. L. Koppens, ledd av ICFO Prof. Dmitri Efetov, i samarbete med en tvärvetenskaplig grupp forskare från MIT, National Institute for Materials Science i Japan, och Imperial College London, har fördjupat djupare i det fysiska beteendet hos detta system och rapporterat om detaljerad testning och screeningstyrning av Magic-Angle Twisted Bi-layer Graphene (MATBG) -enheter med flera nära-magiska vinkelvridningsvinklar, för att hitta en möjlig förklaring till de nämnda staterna.

I deras experiment, de kunde samtidigt styra elektronernas hastighet och interaktionsenergier, och så förvandla de isolerande faserna till supraledande. I vanliga fall, i den magiska vinkeln, ett isolerande tillstånd bildas, eftersom elektroner har mycket små hastigheter, och dessutom, de stöter varandra starkt genom Coulomb -styrkan. I denna studie använde Stepanov och team enheter med vridningsvinklar något bort från den magiska vinkeln på 1,1 ° med ± 0,05 °, och placerade dessa mycket nära metalliska silskikt, separera dessa med bara några nano-meter genom att isolera sexkantiga bornitridlager. Detta gjorde det möjligt för dem att minska avstötningskraften mellan elektronerna och påskynda dessa, så att de kan röra sig fritt, fly från det isolerande tillståndet.

Genom att göra så, Stepanov och kollegor observerade något ganska oväntat. Genom att ändra spänningen (bärartätheten) i de olika enhetskonfigurationerna, supraledningsfasen kvarstod medan den korrelerade isolatorfasen försvann. Faktiskt, den superledande fasen sträckte sig över större områden med densiteter även när bärartätheten varierade. Sådana observationer tyder på att snarare än att ha samma gemensamma ursprung, den isolerande och supraledande fasen kan faktiskt konkurrera med varandra, som ifrågasätter den enkla analogin med de kuprater som man trodde tidigare. Dock, forskarna insåg snart att den superledande fasen kunde vara ännu mer intressant, eftersom det ligger i närheten av topologiska tillstånd, som aktiveras genom återkommande elektronisk interaktion genom att applicera ett magnetfält.

Superledning med Magic-Angle Graphene

Rumsledningens supraledning är nyckeln till många tekniska mål som effektiv kraftöverföring, friktionslösa tåg, eller till och med kvantdatorer, bland andra. När den upptäcktes för mer än 100 år sedan, supraledningsförmåga var endast troligt i material som svalnade till temperaturer nära absolut noll. Sedan, i slutet av 80 -talet, forskare upptäckte supraledare vid hög temperatur genom att använda keramiska material som kallas kuprater. Trots svårigheten att bygga superledare och behovet av att tillämpa extrema förhållanden (mycket starka magnetfält) för att studera materialet, fältet tog fart som något av en helig gral bland forskare baserat på detta framsteg. Sedan förra året, spänningen kring detta område har ökat. De dubbla monoskikten med kol har fängslat forskare eftersom, i motsats till cuprates, deras strukturella enkelhet har blivit en utmärkt plattform för att utforska superledningens komplexa fysik.