När det gäller grafen verkar det som om supraledning finns i familjen.

Grafen är ett enatomtunt material som kan exfolieras från samma grafit som finns i blyertspenna. Det ultratunna materialet är helt tillverkat av kolatomer som är ordnade i ett enkelt hexagonalt mönster, liknande det hos kycklingnät. Sedan dess isolering 2004 har grafen visat sig förkroppsliga många anmärkningsvärda egenskaper i sin enkelskiktsform.

Under 2018 fann MIT-forskare att om två grafenlager staplas i en mycket specifik "magisk" vinkel, kan den vridna dubbelskiktsstrukturen uppvisa robust supraledning, ett mycket eftersökt materialtillstånd där en elektrisk ström kan flöda igenom utan energiförlust. Nyligen fann samma grupp att ett liknande supraledande tillstånd existerar i vriden treskiktsgrafen – en struktur gjord av tre grafenlager staplade i en exakt, ny magisk vinkel.

Nu rapporterar teamet att - du gissade rätt - fyra och fem grafenlager kan vridas och staplas i nya magiska vinklar för att framkalla robust supraledning vid låga temperaturer. Denna senaste upptäckt, publicerad denna vecka i Nature Materials , etablerar de olika vridna och staplade konfigurationerna av grafen som den första kända "familjen" av flerskiktiga magiska vinklar supraledare. Teamet identifierade också likheter och skillnader mellan grafenfamiljens medlemmar.

Fynden kan fungera som en ritning för att designa praktiska supraledare i rumstemperatur. Om egenskaperna bland familjemedlemmar kunde replikeras i andra, naturligt ledande material, skulle de kunna utnyttjas, till exempel för att leverera elektricitet utan förlust eller bygga magnetiskt svävande tåg som körs utan friktion.

"Det magiska vinkelgrafensystemet är nu en legitim "familj", bortom ett par system", säger huvudförfattaren Jeong Min (Jane) Park, doktorand vid MIT:s fysikavdelning. "Att ha den här familjen är särskilt meningsfullt eftersom det ger ett sätt att designa robusta supraledare."

'Ingen gräns'

Jarillo-Herreros grupp var den första som upptäckte grafen med magisk vinkel, i form av en dubbelskiktsstruktur av två grafenark placerade ovanpå varandra och något förskjutna i en exakt vinkel på 1,1 grader. Denna vridna konfiguration, känd som ett moiré-supergitter, förvandlade materialet till en stark och beständig supraledare vid ultralåga temperaturer.

Forskarna fann också att materialet uppvisade en typ av elektronisk struktur som kallas ett "platt band", där materialets elektroner har samma energi, oavsett deras rörelsemängd. I detta platta bandtillstånd, och vid ultrakalla temperaturer, saktar de normalt frenetiska elektronerna kollektivt ner tillräckligt för att paras ihop i vad som kallas Cooper-par – väsentliga ingredienser för supraledning som kan strömma genom materialet utan motstånd.

Medan forskarna observerade att vriden dubbelskiktsgrafen uppvisade både supraledning och en platt bandstruktur, var det inte klart om det förra uppstod från det senare.

"Det fanns inga bevis på att en platt bandstruktur ledde till supraledning", säger Park. "Andra grupper sedan dess har producerat andra tvinnade strukturer från andra material som har något platt band, men de hade inte riktigt robust supraledning. Så vi undrade:Skulle vi kunna producera en annan supraledande enhet med platt band?"

När de övervägde denna fråga, härledde en grupp från Harvard University beräkningar som matematiskt bekräftade att tre grafenlager, vridna i 1,6 grader, även skulle uppvisa platta band, och föreslog att de kunde supraledning. De fortsatte med att visa att det inte borde finnas någon gräns för antalet grafenlager som uppvisar supraledning, om de staplas och vrids på precis rätt sätt, i vinklar som de också förutspådde. Slutligen visade de att de matematiskt kunde relatera varje flerskiktsstruktur till en vanlig plattbandsstruktur – ett starkt bevis på att ett platt band kan leda till robust supraledning.

"De kom fram till att det kan finnas hela den här hierarkin av grafenstrukturer, till oändliga lager, som kan motsvara ett liknande matematiskt uttryck för en platt bandstruktur", säger Park.

Kort efter det arbetet fann Jarillo-Herreros grupp att supraledning och ett platt band faktiskt uppstod i vriden treskiktsgrafen – tre grafenark, staplade som en ostsmörgås, det mellersta ostlagret förskjutits med 1,6 grader i förhållande till de inklämda yttre lagren . Men treskiktsstrukturen visade också subtila skillnader jämfört med dess motsvarighet i två skikt.

"Det fick oss att fråga, var passar dessa två strukturer när det gäller hela klassen av material, och är de från samma familj?" säger Park.

En okonventionell familj

I den aktuella studien försökte laget öka antalet grafenlager. De tillverkade två nya strukturer, gjorda av fyra respektive fem grafenlager. Varje struktur staplas omväxlande, liknande den förskjutna ostsmörgåsen av vriden trelagersgrafen.

Teamet förvarade strukturerna i ett kylskåp under 1 kelvin (cirka -273 grader Celsius), körde elektrisk ström genom varje struktur och mätte uteffekten under olika förhållanden, liknande tester för deras system med två lager och tre lager.

Sammantaget fann de att både fyr- och femlagers vriden grafen också uppvisar robust supraledning och ett platt band. Strukturerna delade också andra likheter med sin motsvarighet i tre lager, såsom deras svar under ett magnetfält med varierande styrka, vinkel och orientering.

Dessa experiment visade att vridna grafenstrukturer kunde betraktas som en ny familj, eller klass av vanliga supraledande material. Experimenten antydde också att det kan finnas ett svart får i familjen:Den ursprungliga vridna dubbelskiktsstrukturen, samtidigt som den delade nyckelegenskaper, visade också subtila skillnader från sina syskon. Gruppens tidigare experiment visade till exempel att strukturens supraledning bröts ner under lägre magnetiska fält och var mer ojämn när fältet roterade, jämfört med dess flerskiktiga syskon.

Teamet genomförde simuleringar av varje strukturtyp och sökte en förklaring till skillnaderna mellan familjemedlemmar. De drog slutsatsen att det faktum att vriden dubbelskiktsgrafens supraledning dör ut under vissa magnetiska förhållanden helt enkelt beror på att alla dess fysiska lager existerar i en "icke-spegelvänd" form i strukturen. Med andra ord finns det inga två lager i strukturen som är spegelmotsatser till varandra, medan grafens flerlagerssyskon uppvisar någon slags spegelsymmetri. Dessa fynd tyder på att mekanismen som driver elektroner att flöda i ett robust supraledande tillstånd är densamma över hela den tvinnade grafenfamiljen.

"Det är ganska viktigt," noterar Park. "Utan att veta detta kanske folk tror att tvåskiktsgrafen är mer konventionellt jämfört med flerskiktsstrukturer. Men vi visar att hela denna familj kan vara okonventionella, robusta supraledare." + Utforska vidare

Ovanlig supraledning observerad i vriden treskiktsgrafen