Möjligheten att stänga av och på supraledning med en bokstavlig vändning av en strömbrytare i så kallad "magic-angle twisted graphene" har gjort det möjligt för ingenjörer på Caltech att observera ett ovanligt fenomen som kan kasta nytt ljus över supraledning i allmänhet.

Forskningen, ledd av Stevan Nadj-Perge, biträdande professor i tillämpad fysik och materialvetenskap, publicerades i tidskriften Nature den 15 juni.

Magisk vinkel vriden grafen, som först upptäcktes 2018, är gjord av två eller tre ark grafen (en form av kol som består av ett enda lager av atomer i ett bikakeliknande gittermönster) skiktade ovanpå varandra, med varje ark vridet vid exakt 1,05 grader i förhållande till den under den. Det resulterande dubbel- eller treskiktet har ovanliga elektroniska egenskaper:till exempel kan det göras till en isolator eller en supraledare beroende på hur många elektroner som tillsätts.

Supraledare är material som uppvisar ett märkligt elektroniskt tillstånd där elektroner kan flöda fritt genom materialen utan motstånd - vilket betyder att elektricitet strömmar genom dem utan någon förlust av energi till värme. Sådan hypereffektiv överföring av el har oändliga potentiella tillämpningar inom datorer, elektronik och på andra håll.

Haken med supraledande är dock att den i de flesta material sker vid extremt låga temperaturer, vanligtvis bara några få grader över den absoluta nollpunkten (−273,15 grader Celsius). Vid sådana temperaturer bildar elektroner par som beter sig på ett fundamentalt annorlunda sätt jämfört med enskilda elektroner och kondenserar till ett kvantmekaniskt tillstånd som tillåter elektronpar att flöda utan att spridas.

Superledning upptäcktes först för mer än ett sekel sedan, men forskare förstår fortfarande inte helt de exakta mekanismerna bakom elektronparbildningen för vissa material. I konventionella supraledare, såsom metallaluminium, är det väl underförstått att attraktionen mellan elektroner som leder till bildandet av elektronpar beror på elektronernas interaktion med materialets kristallgitter. Beteendet hos dessa material beskrivs med hjälp av teorin Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS), uppkallad efter John Bardeen, Leon Cooper och John Robert Schrieffer, som delade Nobelpriset i fysik 1972 för teorins utveckling.

Medan de studerade magiska vinklar vridna trelager av grafen upptäckte Nadj-Perge och hans kollegor att supraledning i detta material uppvisar flera mycket ovanliga egenskaper som inte kan beskrivas med BSC-teori, vilket gör det troligtvis också en okonventionell supraledare.

De mätte utvecklingen av det så kallade supraledande gapet när elektronerna avlägsnas från treskiktet med en strömbrytare för att slå på eller av ett elektriskt fält. Det supraledande gapet är en egenskap som beskriver hur svårt det är att lägga till eller ta bort enskilda elektroner i en supraledare. Eftersom elektroner i en supraledare vill paras ihop krävs en viss mängd energi för att bryta dessa par. Mängden energi kan dock vara olika för par som rör sig i olika riktningar i förhållande till kristallgittret. Som ett resultat har "gapet" en specifik form som bestäms av sannolikheten för att par kommer att brytas av en viss mängd energi.

"Medan supraledare har funnits länge, är en anmärkningsvärt ny funktion i vridna grafen-dubbelskikt och trilager att supraledning i dessa material kan slås på helt enkelt genom att applicera en spänning på en närliggande elektrod", säger Nadj-Perge, motsvarande författare till Nature papper. "Ett elektriskt fält lägger effektivt till eller tar bort extra elektroner. Det fungerar på ett mycket liknande sätt som strömmen styrs i konventionella transistorer, och detta gjorde det möjligt för oss att utforska supraledning på sätt som man inte kan göra i andra material."

Teamet fastställde att i vridna treskikt finns två supraledningsregimer med olika formade supraledande spaltprofiler. Medan en av regimerna kanske kan förklaras med en teori som i viss mån liknar BCS, visar närvaron av två regimer att inom den supraledande fasen sannolikt kommer en ytterligare övergång att ske. Denna observation, tillsammans med mätningar gjorda vid olika temperaturer och magnetfält, pekar på den okonventionella karaktären hos supraledning i treskikten.

De nya insikterna från Nadj-Perges team ger viktiga ledtrådar för framtida teorier om supraledning i vridna grafenflerskikt. Nadj-Perge noterar att det verkar som att fler lager gör supraledning mer robust samtidigt som den förblir mycket avstämbar, en egenskap som öppnar upp för olika möjligheter att använda vridna trilager för supraledande enheter som en dag kan användas inom kvantvetenskap och kanske kvantinformationsbehandling.

"Förutom dess grundläggande implikationer för vår förståelse av supraledning, är det anmärkningsvärt att lägga till ett extra grafenlager gjorde det lättare att studera supraledande egenskaper. I slutändan var det detta som möjliggjorde våra upptäckter", säger Nadj-Perge.

Uppsatsen har titeln "Bevis på okonventionell supraledning i vriden treskiktsgrafen." + Utforska vidare

Speciellt orienterad tvinnad tvåskiktsgrafen är värd för topologiska elektroniska tillstånd