I vanliga ledande material som silver och koppar, elektrisk ström flyter med olika grader av motstånd, i form av individuella elektroner som pingisar bort defekter, försvinner energi när de går. supraledare, däremot är så namngivna för sin anmärkningsvärda förmåga att leda elektricitet utan motstånd, med hjälp av elektroner som parar sig och rör sig genom ett material som en, genererar ingen friktion.

Nu har MIT-fysiker funnit att en flinga grafen, när de förs i nära anslutning till två supraledande material, kan ärva några av dessa materials supraledande egenskaper. När grafen är inklämt mellan supraledare, dess elektroniska tillstånd förändras dramatiskt, även i dess centrum.

Forskarna fann att grafens elektroner, tidigare betett sig som individ, spridning av partiklar, koppla ihop istället i "Andreev-tillstånd" - en grundläggande elektronisk konfiguration som tillåter en konventionell, icke supraledande material för att bära en "superström, " en elektrisk ström som flyter utan att avleda energi.

Deras resultat, publiceras denna vecka i Naturfysik , är den första undersökningen av Andreevs tillstånd på grund av supralednings "närhetseffekt" i ett tvådimensionellt material som grafen.

Nerför gatan, forskarnas grafenplattform kan användas för att utforska exotiska partiklar, såsom Majorana fermioner, som tros härröra från Andreevs tillstånd och kan vara nyckelpartiklar för att bygga kraftfulla, felsäkra kvantdatorer.

"Det finns en enorm ansträngning i den kondenserade fysikgemenskapen för att leta efter exotiska kvantelektroniska tillstånd, " säger huvudförfattaren Landry Bretheau, en postdoc vid MIT:s institution för fysik. "Särskilt, nya partiklar som kallas Majorana-fermioner förutspås dyka upp i grafen som är ansluten till supraledande elektroder och exponeras för stora magnetfält. Vårt experiment är lovande, när vi förenar några av dessa ingredienser."

Landrys MIT-medförfattare är postdoc Joel I-Jan Wang, besöker studenten Riccardo Pisoni, och docent i fysik Pablo Jarillo-Herrero, tillsammans med Kenji Watanabe och Takashi Taniguchi från National Institute for Materials Science, i Japan.

Den supraledande närhetseffekten

1962, den brittiske fysikern Brian David Josephson förutspådde att två supraledare som lägger ett icke-supraledande lager mellan dem kunde upprätthålla en superström av elektronpar, utan extern spänning.

Som helhet, superströmmen förknippad med Josephson-effekten har uppmätts i många experiment. Men Andreev påstår – betraktade som de mikroskopiska byggstenarna i en superström – har bara observerats i en handfull system, som silvertrådar, och aldrig i ett tvådimensionellt material.

Bretheau, Wang, och Jarillo-Herrero tacklade detta problem genom att använda grafen - ett ultratunt ark av sammanlänkade kolatomer - som det icke-supraledande materialet. grafen, som Bretheau förklarar, är ett extremt "rent" system, uppvisar mycket liten spridning av elektroner. Grafen är förlängt, Atomkonfigurationen gör det också möjligt för forskare att mäta grafens elektroniska Andreev-tillstånd när materialet kommer i kontakt med supraledare. Forskare kan också kontrollera elektrontätheten i grafen och undersöka hur det påverkar den supraledande närhetseffekten.

Forskarna exfolierade en mycket tunn grafenflagga, bara några hundra nanometer bred, från en större bit grafit, och placerade flingan på en liten plattform gjord av en kristall av bornitrid som överlagrade ett ark av grafit. På vardera änden av grafenflingan, de placerade en elektrod gjord av aluminium, som beter sig som en supraledare vid låga temperaturer. De placerade sedan hela strukturen i ett utspädningskylskåp och sänkte temperaturen till 20 millikelvin – väl inom aluminiums supraledande område.

"Frustrerad" konstaterar

I sina experiment, forskarna varierade storleken på superströmmen som flyter mellan supraledarna genom att applicera ett föränderligt magnetfält på hela strukturen. De applicerade också en extern spänning direkt på grafen, att variera antalet elektroner i materialet.

Under dessa föränderliga förhållanden, teamet mätte grafenens densitet av elektroniska tillstånd medan flingan var i kontakt med båda aluminiumsupraledarna. Med hjälp av tunnelspektroskopi, en vanlig teknik som mäter tätheten av elektroniska tillstånd i ett ledande prov, forskarna kunde undersöka grafenens centrala region för att se om supraledarna hade någon effekt, även i områden där de inte fysiskt rörde grafenet.

Mätningarna visade att grafens elektroner, som normalt fungerar som enskilda partiklar, kopplade ihop, fast i "frustrerade" konfigurationer, med energier beroende av magnetfält.

"Elektroner i en supraledare dansar harmoniskt i par, som en balett, men koreografin i vänster och höger supraledare kan vara olika, Bretheau säger. "Par i den centrala grafenen är frustrerade när de försöker tillfredsställa båda sätten att dansa. Dessa frustrerade par är vad fysiker känner till som Andreev säger; de bär superströmmen."

Bretheau och Wang fann att Andreevs tillstånd varierar sin energi som svar på ett förändrat magnetfält. Andreevs tillstånd är mer uttalade när grafen har en högre densitet av elektroner och det finns en starkare superström mellan elektroderna.

"[Supraledarna] ger faktiskt grafen några supraledande egenskaper, Bretheau säger. "Vi fann att dessa elektroner kan påverkas dramatiskt av supraledare."

Medan forskarna utförde sina experiment under låga magnetfält, de säger att deras plattform kan vara en startpunkt för att utforska de mer exotiska Majorana-fermionerna som borde dyka upp under höga magnetfält.

"Det finns förslag på hur man kan använda Majorana-fermioner för att bygga kraftfulla kvantdatorer, Bretheau säger. "Dessa partiklar kan vara den elementära tegelstenen i topologiska kvantdatorer, med mycket starkt skydd mot fel. Vårt arbete är ett första steg i denna riktning."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.