Stapla två lager grafen, vridna i lite olika vinklar mot varandra, och materialet blir spontant en supraledare. Vetenskapen kan fortfarande inte förklara hur något så magiskt kan hända, men fysiker använder specialutrustning för att avslöja vad som sker under ytan.

Superledning är ett ämne som har fascinerat forskare i generationer, sedan det först noterades för mer än 100 år sedan, i Leiden-laboratoriet för Nobelpristagaren Heike Kamerlingh Onnes. Han kylde kvicksilver till nära absolut noll och plötsligt allt motstånd försvann. Om du introducerar en elektrisk ström till en så kall metall, den kommer att fortsätta rinna tills kylningen stoppas.

Kylning innebär i detta fall en temperatur på cirka 270 minusgrader, den temperatur vid vilken helium blir flytande. Detta är komplicerat och dyrt, så praktiska tillämpningar av supraledning var begränsade till magneterna i MRI-skannrar på sjukhus, hittills.

Sålänge, fysiker har letat efter "varma" supraledare som kommer att fungera med mindre kylning. Till exempel, keramiska material har utvecklats som är supraledande vid minus 140. Det är framsteg, men vi är inte där än. Det finns fortfarande många obesvarade frågor. Vad som exakt händer inuti dessa material är en sådan fråga som Leiden-forskarna Tjerk Benschop och Sense Jan van der Molen hoppas kunna få svar på.

"Historien har lärt oss att ett sådant uppdrag kan ta tid, "säger Van der Molen, professor i den kondenserade materiens fysik. "Kamerlingh Onnes upptäckte supraledning 1911, men det var inte förrän 1957 som en bra förklarande teori publicerades. Och vi förstår fortfarande inte helt dessa nya keramiska supraledare. Det är komplicerat, även för fysiker. Det var också premissen för vårt samarbete:låt oss ta ett relativt enkelt material att experimentera med:grafen."

Ph.D. kandidat Tjerk Benschop:"Det som är intressant är att fasövergången till supraledning med grafen liknar den för de keramiska supraledarna. Tanken är att genom att studera grafen, vi kan lära oss mer om vad som händer i andra superledare.

Ny twist

Alla har grafen i sina hem. Grafitkärnan i en penna består av ändlösa lager av grafen, där kolatomer är prydligt ordnade i en bikakestruktur. Van der Molen:"Dubbelskiktsgrafen har speciella egenskaper:du kan bokstavligen ge det en ny twist. Om du vrider två lager grafen i en liten vinkel, man får plötsligt ett supraledande material. Och om du ökar vinkeln mellan lagren, det fenomenet försvinner. Det finns mycket komplex fysik bakom det, och i vissa avseenden är det fortfarande svårt att förklara."

Benschop:"Det låter lite galet, men i en magisk vinkel på 1,1 grader, elektroner i de två lagren börjar känna av varandra mer; de kan interagera. Det resulterar i unika egenskaper, varav en är supraledning. Det är svårt att förklara varför det är så, eftersom det finns många fysikrelaterade steg däremellan. Till exempel, vi pratar om band av elektroner, något som är svårt att föreställa sig."

Platta band

En internationell grupp forskare har kartlagt den supraledande grafensmörgåsen i detalj, med hjälp av ett antal mättekniker. De kombinerade expertisen inom superledningsförmågan hos Benschops handledare, Milan Allan, och kollega Felix Baumberger i Schweiz med Van der Molens grafenforskning. "Om du mäter riktigt exakt, du kan till och med fastställa tillståndet för elektronerna i materialet. Tills nu, ingen hade lyckats visa att elektroner är mer eller mindre orörliga i den magiska vinkeln i det som kallas ett platt band. Och det krävde enormt mycket arbete."

Benschop:"Vid ett tillfälle, Jag offrade min jullov för att göra bilder av vriden grafen. Det svåra med min teknik är att man bara kan mäta exakt om grafenens yta är noggrant ren. Du skannar med en mikroskopiskt liten nål ovanför ytan och om det finns så mycket som en enda smutsmolekyl någonstans, din mätning misslyckas. Det gjorde mig mycket krångel i början, ta reda på vad som fungerade bäst ett steg i taget. För en exakt mätning, ytan på grafen måste vara riktigt ren, så vi mäter i en ultrahög vakuummiljö, till exempel. Det är färre partiklar som flyter i mätrummet än det finns i rymden."

Eureka ögonblick

De små exemplaren av vriden dubbelskiktsgrafen gjordes av andra fysiker i Barcelona, eftersom det är en färdighet i sig. "Det fantastiska med vetenskap är att man möter människor genom publikationer och konferenser och kommer på nya idéer tillsammans, " säger Van der Molen. "I det här fallet, vi behövde fyra forskargrupper för att lyckas med detta."

"Efter långa dagar på labbet, tålmodigt upprepa och förbättra, det var äntligen ett eureka-ögonblick, " Benschop berättar för oss. "Du spenderar lång tid på att arbeta mot det, hoppas det till slut, du kommer att kunna få ett bra mått. Det är ett så speciellt ögonblick när du ser grafenens atomstruktur visas på din skärm, med det härliga mönstret som passar med rätt vridningsvinkel."

Så snart de två lagren av grafen vrids i förhållande till varandra, en stor bikakestruktur blir plötsligt synlig. Det är samma spontana mönsterbildande eller moiréeffekt som man får när man flyttar två tunna lager silke över varandra. Van der Molen:"Det mönstret är inte bara en optisk illusion; en ny struktur uppstår faktiskt och ger elektroner nya områden att röra sig i."

Kommer det någonsin att finnas chips med magisk vinkelgrafen i datorer eller smartphones? Benschop tycker inte det. "Supraledning förekommer i grafen vid minus 272 grader, vilket gör en praktisk tillämpning omöjlig eftersom flytande helium är extremt dyrt. Framför allt, vi lär oss mer och mer om hur supraledning uppstår och förhoppningsvis, detta kommer att ge idéer till nya material som är supraledande vid rumstemperatur."

Lego

Enligt Van der Molen, tvåskiktsgrafen är bara början. Faktum är att det finns många andra lägenheter, ledande material som också kan staplas och vridas. "Jag ser det som att det är som Lego. Du lägger ett lager ovanpå ett annat och om det är stark interaktion, uppstår ett nytt material med oväntade egenskaper. Det är lite som att kombinera väte med syre för att få vatten, och där helheten är mycket större än summan av delarna."

Ett annat alternativ som Benschop är angelägen om att forska är förvrängningen av tvåskiktsmaterial eftersom det också förändrar moirémönstren och elektriska egenskaper. "Kortfattat, det finns många parametrar att experimentera med, " säger Van der Molen. "Det finns en teoretisk förutsägelse att temperaturen för supraledning lätt kan vara högre. Men hur det kan uppnås är något vi vet för lite om, hittills. Det är också den bästa delen av vårt yrkesområde:en hel del saker är svåra att beräkna eller förutsäga, så att experimentera gör skillnad. "