MIT-fysiker har observerat tecken på en sällsynt typ av supraledning i ett material som kallas magic-angle twisted trilayer graphene. I en studie som visas i Natur , forskarna rapporterar att materialet uppvisar supraledning vid överraskande höga magnetfält på upp till 10 Tesla, vilket är tre gånger högre än vad materialet förutspås tåla om det vore en konventionell supraledare.

Resultaten antyder starkt att magisk vinkel treskiktsgrafen, som ursprungligen upptäcktes av samma grupp, är en mycket sällsynt typ av supraledare, känd som en "spin-triplett, " som är ogenomtränglig för höga magnetfält. Sådana exotiska supraledare kan avsevärt förbättra teknologier som magnetisk resonanstomografi, som använder supraledande ledningar under ett magnetfält för att resonera med och avbilda biologisk vävnad. MRI-maskiner är för närvarande begränsade till magnetfält på 1 till 3 Tesla. Om de kunde byggas med spin-triplett supraledare, MRI kan fungera under högre magnetfält för att producera skarpare, djupare bilder av människokroppen.

De nya bevisen på spin-triplett-supraledning i treskiktsgrafen kan också hjälpa forskare att designa starkare supraledare för praktisk kvantberäkning.

"Värdet av detta experiment är vad det lär oss om grundläggande supraledning, om hur material kan bete sig, så att med dessa lärdomar, vi kan försöka designa principer för andra material som skulle vara lättare att tillverka, som kanske kan ge dig bättre supraledning, " säger Pablo Jarillo-Herrero, Cecil och Ida Green professor i fysik vid MIT.

Hans medförfattare på tidningen inkluderar postdoc Yuan Cao och doktorand Jeong Min Park vid MIT, och Kenji Watanabe och Takashi Taniguchi från National Institute for Materials Science i Japan.

Konstigt skifte

Supraledande material definieras av deras supereffektiva förmåga att leda elektricitet utan att förlora energi. När den utsätts för en elektrisk ström, elektroner i en supraledare kopplas ihop i "Cooper-par" som sedan färdas genom materialet utan motstånd, som passagerare på ett snabbtåg.

I en stor majoritet av supraledare, dessa passagerarpar har motsatta snurr, med en elektron som snurrar upp, och den andra ner - en konfiguration som kallas en "spin-singlet". Dessa par rusar glatt genom en supraledare, förutom under höga magnetfält, som kan flytta energin för varje elektron i motsatta riktningar, dra isär paret. På det här sättet, och genom mekanismer, höga magnetiska fält kan spåra ur supraledning i konventionella spin-singlet-supraledare.

"Det är den ultimata anledningen till att i ett tillräckligt stort magnetfält, supraledning försvinner, " säger Park.

Men det finns en handfull exotiska supraledare som är ogenomträngliga för magnetfält, upp till mycket stora styrkor. Dessa material supraleder genom elektronpar med samma spinn - en egenskap som kallas "spin-triplett". När de utsätts för höga magnetfält, energin för båda elektronerna i ett Cooper-par skiftar i samma riktning, på ett sätt så att de inte dras isär utan fortsätter att supraledande ostört, oavsett magnetfältets styrka.

Jarillo-Herreros grupp var nyfiken på om magisk vinkel trelagersgrafen kunde bära tecken på denna mer ovanliga spin-triplett-superledning. Teamet har producerat banbrytande arbete i studien av grafenmoiré-strukturer - lager av atomtunna kolgitter som, när de staplas i specifika vinklar, kan ge upphov till överraskande elektroniska beteenden.

Forskarna rapporterade initialt sådana märkliga egenskaper i två vinklade ark av grafen, som de kallade magic-angle bilayer graphene. De följde snart upp med tester av treskiktsgrafen, en sandwichkonfiguration av tre grafenark som visade sig vara ännu starkare än dess motsvarighet i två lager, bibehåller supraledning vid högre temperaturer. När forskarna applicerade ett blygsamt magnetfält, de märkte att treskiktsgrafen kunde supraledning vid fältstyrkor som skulle förstöra supraledning i dubbelskiktsgrafen.

"Vi trodde, det här är något väldigt konstigt, " säger Jarillo-Herrero.

En super comeback

I deras nya studie, fysikerna testade treskiktsgrafens supraledning under allt högre magnetfält. De tillverkade materialet genom att skala bort atomtunna lager av kol från ett grafitblock, stapla tre lager tillsammans, och vridning av den mellersta med 1,56 grader med avseende på de yttre skikten. De fäste en elektrod i vardera änden av materialet för att leda en ström igenom och mäta all energi som går förlorad i processen. Sedan slog de på en stor magnet i labbet, med ett fält som de orienterade parallellt med materialet.

När de ökade magnetfältet runt treskiktsgrafen, de observerade att supraledning höll sig stark upp till en punkt innan den försvann, men dök sedan nyfiket upp igen vid högre fältstyrkor - en comeback som är högst ovanlig och inte känd för att inträffa i konventionella spin-singlet-supraledare.

"I spin-singlet supraledare, om du dödar supraledning, det kommer aldrig tillbaka - det är borta för gott, " säger Cao. "Här, den dök upp igen. Så detta säger definitivt att detta material inte är spin-singlet."

De observerade också att efter "återinträde, "Supraledning kvarstod upp till 10 Tesla, den maximala fältstyrkan som labbets magnet kunde producera. Detta är ungefär tre gånger högre än vad supraledaren skulle tåla om det vore en konventionell spin-singlet, enligt Paulis gräns, en teori som förutsäger det maximala magnetfältet vid vilket ett material kan behålla supraledning.

Treskiktsgrafens återuppträdande av supraledning, parat med dess uthållighet vid högre magnetfält än förutspått, utesluter möjligheten att materialet är en vanlig supraledare. Istället, det är förmodligen en mycket sällsynt typ, möjligen en spin-triplett, värd för Cooper-par som snabbar sig igenom materialet, ogenomtränglig för höga magnetfält. Teamet planerar att borra ner på materialet för att bekräfta dess exakta spinnläge, som kan hjälpa till att informera om utformningen av mer kraftfulla MRI-maskiner, och även mer robusta kvantdatorer.

"Vanlig kvantberäkning är superbräcklig, " säger Jarillo-Herrero. "Du tittar på det och, poff, det försvinner. För ungefär 20 år sedan, teoretiker föreslog en typ av topologisk supraledning som, om det realiseras i något material, skulle kunna [aktivera] en kvantdator där tillstånd som ansvarar för beräkning är mycket robusta. Det skulle ge oändligt mycket mer kraft att göra datorer. Nyckelingrediensen för att inse att det skulle vara spin-triplett supraledare, av en viss typ. Vi har ingen aning om vår typ är av den typen. Men även om det inte är det, detta kan göra det lättare att lägga treskiktsgrafen med andra material för att konstruera den typen av supraledning. Det kan bli ett stort genombrott. Men det är fortfarande supertidigt."