Det är svårt att tro att ett enda material kan beskrivas med så många superlativ som grafen kan. Sedan upptäckten 2004, forskare har funnit att spets, bikakeliknande ark av kolatomer - i princip den mest mikroskopiska rakning av blyertspenna du kan föreställa dig - är inte bara det tunnaste materialet som är känt i världen, men också otroligt lätt och flexibel, hundratals gånger starkare än stål, och mer elektriskt ledande än koppar.

Nu har fysiker vid MIT och Harvard University funnit att undermaterialet kan uppvisa ännu mer märkliga elektroniska egenskaper. I två tidningar publicerade idag i Natur , teamet rapporterar att det kan ställa in grafen för att bete sig vid två elektriska ytterligheter:som en isolator, där elektroner är helt blockerade från att flöda; och som supraledare, där elektrisk ström kan strömma igenom utan motstånd.

Forskare i det förflutna, inklusive detta team, har kunnat syntetisera grafensupraledare genom att placera materialet i kontakt med andra supraledande metaller - ett arrangemang som gör att grafen kan ärva vissa supraledande beteenden. Vid den här tiden, teamet hittade ett sätt att göra grafen supraledning på egen hand, visar att supraledning kan vara en inneboende kvalitet i det rent kolbaserade materialet.

Fysikerna åstadkom detta genom att skapa ett "supergitter" av två grafenark staplade tillsammans - inte precis ovanpå varandra, men roterade lite, i en "magisk vinkel" på 1,1 grader. Som ett resultat, överlägget, hexagonalt bikakemönster är något förskjutet, skapa en exakt moiré-konfiguration som förutspås inducera konstiga, "starkt korrelerade interaktioner" mellan elektronerna i grafenarken. I alla andra staplade konfigurationer, grafen föredrar att förbli distinkt, interagerar väldigt lite, elektroniskt eller på annat sätt, med dess närliggande lager.

Laget, ledd av Pablo Jarillo-Herrero, en docent i fysik vid MIT, fann att när den roterades i den magiska vinkeln, de två arken av grafen uppvisar icke-ledande beteende, liknar en exotisk klass av material som kallas Mott-isolatorer. När forskarna sedan applicerade spänning, lägga till små mängder elektroner till grafen supergitter, de fann att, på en viss nivå, elektronerna bröt sig ur det ursprungliga isolerande tillståndet och flödade utan motstånd, som genom en supraledare.

"Vi kan nu använda grafen som en ny plattform för att undersöka okonventionell supraledning, " säger Jarillo-Herrero. "Man kan också tänka sig att göra en supraledande transistor av grafen, som du kan slå på och av, från supraledande till isolering. Det öppnar många möjligheter för kvantenheter."

30 års mellanrum

Ett materials förmåga att leda elektricitet representeras normalt i termer av energiband. Ett enda band representerar en rad energier som ett materials elektroner kan ha. Det finns ett energigap mellan banden, och när ett band är fyllt, en elektron måste förkroppsliga extra energi för att övervinna detta gap, för att ockupera nästa tomma band.

Ett material anses vara en isolator om det sista upptagna energibandet är helt fyllt med elektroner. Elektriska ledare som metaller, å andra sidan, uppvisar delvis fyllda energiband, med tomma energitillstånd som elektronerna kan fylla för att fritt röra sig.

Mott isolatorer, dock, är en klass av material som framgår av deras bandstruktur för att leda elektricitet, men när det mäts, de beter sig som isolatorer. Specifikt, deras energiband är till hälften fyllda, men på grund av starka elektrostatiska interaktioner mellan elektroner (som laddningar av likhetstecken som stöter bort varandra), materialet leder inte elektricitet. Det halvfyllda bandet delar sig i huvudsak i två miniatyrer, nästan platta band, med elektroner som helt upptar ett band och lämnar det andra tomt, och därmed beter sig som en isolator.

"Detta betyder att alla elektroner är blockerade, så det är en isolator på grund av denna starka repulsion mellan elektronerna, så ingenting kan flöda, Jarillo-Herrero förklarar. "Varför är Mott-isolatorer viktiga? Det visar sig att moderföreningen för de flesta högtemperatursupraledare är en Mott-isolator."

Med andra ord, forskare har hittat sätt att manipulera de elektroniska egenskaperna hos Mott-isolatorer för att förvandla dem till supraledare, vid relativt höga temperaturer på cirka 100 Kelvin. Att göra detta, de "dopar" materialet kemiskt med syre, vars atomer drar till sig elektroner från Mott-isolatorn, lämnar mer utrymme för återstående elektroner att flöda. När tillräckligt med syre tillsätts, isolatorn förvandlas till en supraledare. Hur exakt denna övergång sker, Jarillo-Herrero säger, har varit ett 30-årigt mysterium.

"Det här är ett problem som är 30 år och räknat, olöst, " säger Jarillo-Herrero. "Dessa högtemperatursupraledare har studerats till döds, och de har många intressanta beteenden. Men vi vet inte hur vi ska förklara dem."

En exakt rotation

Jarillo-Herrero och hans kollegor letade efter en enklare plattform för att studera sådan okonventionell fysik. När man studerar de elektroniska egenskaperna i grafen, laget började leka med enkla högar av grafenark. Forskarna skapade supergaller med två ark genom att först exfoliera en enda grafenflagga från grafit, plocka sedan försiktigt upp halva flingan med en glasskiva belagd med en klibbig polymer och ett isolerande material av bornitrid.

De roterade sedan glasskivan väldigt lite och plockade upp den andra halvan av grafenflingan, hålla det till första halvlek. På det här sättet, de skapade ett supergitter med ett offsetmönster som skiljer sig från grafens ursprungliga bikakegaller.

Teamet upprepade detta experiment, skapa flera "enheter, " eller grafen supergitter, med olika rotationsvinklar, mellan 0 och 3 grader. De fäste elektroder till varje enhet och mätte en elektrisk ström som passerade genom, plottade sedan enhetens motstånd, givet mängden av den ursprungliga strömmen som passerade.

"Om du är avstängd i din rotationsvinkel med 0,2 grader, all fysik är borta, " säger Jarillo-Herrero. "Ingen supraledning eller Mott-isolator visas. Så du måste vara mycket exakt med inriktningsvinkeln."

Vid 1,1 grader - en rotation som har förutspåtts vara en "magisk vinkel" - fann forskarna att grafensupergittret elektroniskt liknade en platt bandstruktur, liknar en Mott-isolator, där alla elektroner bär samma energi oavsett rörelsemängd.

"Föreställ dig att drivkraften för en bil är massa gånger hastighet, " säger Jarillo-Herrero. "Om du kör i 30 miles per timme, du har en viss mängd kinetisk energi. Om du kör i 60 miles per timme, du har mycket högre energi, och om du kraschar, du kan deformera ett mycket större föremål. Den här saken säger, oavsett om du åker 30 eller 60 eller 100 miles per timme, de skulle alla ha samma energi."

"Aktuell gratis"

För elektroner, detta innebär att, även om de upptar ett halvfyllt energiband, en elektron har inte mer energi än någon annan elektron, för att den ska kunna röra sig i det bandet. Därför, även om en sådan halvfylld bandstruktur borde fungera som en ledare, den beter sig istället som en isolator - och mer exakt, en Mott isolator.

Detta gav laget en idé:Tänk om de kunde lägga till elektroner till dessa Mott-liknande supergitter, liknande hur forskare dopade Mott-isolatorer med syre för att förvandla dem till supraledare? Skulle grafen i sin tur anta supraledande egenskaper?

Att få reda på, de applicerade en liten grindspänning på "magisk vinkel grafen supergitter, " lägga till små mängder elektroner till strukturen. Som ett resultat, individuella elektroner bundna med andra elektroner i grafen, låta dem flöda där de inte kunde förut. Genom hela, forskarna fortsatte att mäta materialets elektriska motstånd, och upptäckte att när de lade till en viss, liten mängd elektroner, den elektriska strömmen flödade utan att avleda energi - precis som en supraledare.

"Du kan flyta ström gratis, ingen energi slöseri, och det här visar att grafen kan vara en supraledare, " säger Jarillo-Herrero.

Kanske ännu viktigare, han säger att forskarna kan ställa in grafen för att bete sig som en isolator eller en supraledare, och någon fas däremellan, uppvisar alla dessa olika egenskaper i en enda enhet. Detta i motsats till andra metoder, där forskare har varit tvungna att odla och manipulera hundratals individuella kristaller, som var och en kan fås att fungera i bara en elektronisk fas.

"Vanligtvis, du måste odla olika klasser av material för att utforska varje fas, " säger Jarillo-Herrero. "Vi gör det här på plats, i ett skott, i en ren kolanordning. Vi kan utforska all fysik i en enhet elektriskt, snarare än att behöva tillverka hundratals enheter. Det kunde inte bli enklare."