År 2018, fysikvärlden brann upp med upptäckten att när ett ultratunt lager av kol, kallas grafen, staplas och vrids till en "magisk vinkel, "den nya dubbelskiktade strukturen omvandlas till en superledare, tillåter el att flöda utan motstånd eller energislöseri. Nu, i en bokstavlig twist, Harvard -forskare har utökat det supraledande systemet genom att lägga till ett tredje lager och rotera det, öppnar dörren för fortsatta framsteg inom grafenbaserad supraledning.

Arbetet beskrivs i ett nytt papper i Vetenskap och kan en dag hjälpa till att leda mot superledare som arbetar vid högre eller till och med nära rumstemperatur. Dessa supraledare betraktas som den heliga graalen i fysik av kondenserad materia eftersom de skulle möjliggöra enorma tekniska revolutioner på många områden, inklusive elöverföring, transport, och kvantberäkning. De flesta superledare idag, inklusive den dubbelskiktade grafenstrukturen, fungerar endast vid ultrakylda temperaturer.

"Superledning i vriden grafen ger fysiker ett experimentellt kontrollerbart och teoretiskt tillgängligt modellsystem där de kan leka med systemets egenskaper för att avkoda hemligheterna för högtemperatur supraledning, "sade en av tidningens medförfattare Andrew Zimmerman, en postdoktor i arbetet i Harvard -fysikern Philip Kim.

Grafen är ett atom-tjockt lager av kolatomer som är 200 gånger starkare än stål men som är extremt flexibelt och lättare än papper. Det har nästan alltid varit känt för att vara en bra ledare för värme och elektrisk ström men är notoriskt svår att hantera. Experiment som låser upp pusslet med tvinnat tvåskiktigt grafen har pågått sedan MIT-fysikern Pablo Jarillo-Herrero och hans grupp var pionjärer inom det framväxande området "twistronics" med deras experiment 2018 där de producerade grafen-superledaren genom att vrida den till en magisk vinkel på 1,1 grader .

Harvard-forskarna rapporterar framgångsrikt att stapla tre ark grafen och sedan vrida dem i den magiska vinkeln för att producera en tre-lager struktur som inte bara är kapabel till supraledning utan gör det mer robust och vid högre temperaturer än många av de dubbelstaplade grafen. Det nya och förbättrade systemet är också känsligt för ett externt applicerat elektriskt fält som gör att de kan ställa in supraledningsnivån genom att justera styrkan i det fältet.

"Det gjorde att vi kunde observera superledaren i en ny dimension och gav oss viktiga ledtrådar om mekanismen som driver supraledning, "sade studiens andra huvudförfattare Zeyu Hao, en doktorsexamen student vid Graduate School of Arts and Sciences som också arbetar i Kim -gruppen.

En av dessa mekanismer har teoretikerna verkligen upphetsade. Trilayer -systemet visade bevis på att dess supraledning beror på starka interaktioner mellan elektroner i motsats till svaga. Om sant, detta kan inte bara hjälpa till att öppna en väg till supraledning vid hög temperatur utan möjliga tillämpningar inom kvantberäkning.

"I de flesta konventionella supraledare, elektroner rör sig med hög hastighet och ibland korsar vägar och påverkar varandra. I detta fall, vi säger att deras interaktionseffekter är svaga, "sa Eslam Khalaf, en medförfattare till studien och postdoktor som arbetar i laboratoriet för Harvard fysikprofessor Ashvin Vishwanath. "Medan svagt interagerande superledare är ömtåliga och förlorar supraledning vid uppvärmning till några Kelvin, Starka kopplings superledare är mycket mer motståndskraftiga men mycket mindre förstådda. Att inse stark koppling av supraledning i ett enkelt och avstämbart system som trilayer kan bana väg för att äntligen utveckla en teoretisk förståelse för starkt kopplade superledare för att förverkliga målet med en hög temperatur, kanske till och med rumstemperatur, superledare. "

Forskarna planerar att fortsätta att utforska arten av denna ovanliga supraledning i ytterligare studier.

"Ju mer vi förstår, desto bättre har vi chansen att öka de supraledande övergångstemperaturerna, sa Kim.