Teaser:Ett team som leds av Columbia har upptäckt en ny metod för att manipulera den elektriska ledningsförmågan hos detta spelförändrande material, den starkaste kända för människan med tillämpningar som sträcker sig från nanoelektroniska enheter till ren energi.

Grafen har utropats som ett undermaterial. Inte bara är det starkast, det tunnaste materialet som någonsin upptäckts, dess exceptionella förmåga att leda värme och elektricitet banar väg för innovation inom områden som sträcker sig från elektronik till energi till medicin.

Nu, ett team som leds av Columbia University har utvecklat en ny metod för att finjustera intilliggande lager av grafen — spets, bikakeliknande ark av kolatomer - för att inducera supraledning. Deras forskning ger nya insikter om fysiken som ligger bakom detta tvådimensionella materials spännande egenskaper.

Teamets papper publiceras i numret 24 januari av Vetenskap .

"Vårt arbete visar nya sätt att inducera supraledning i vriden dubbelskiktsgrafen, särskilt, uppnås genom att applicera tryck, sa Cory Dean, biträdande professor i fysik vid Columbia och studiens huvudutredare. "Det ger också en kritisk första bekräftelse på förra årets MIT-resultat - att tvåskiktsgrafen kan uppvisa elektroniska egenskaper när det vrids i en vinkel - och främjar vår förståelse av systemet, vilket är oerhört viktigt för detta nya forskningsfält."

I mars 2018 rapporterade forskare vid Massachusetts Institute of Technology en banbrytande upptäckt att två grafenlager kan leda elektricitet utan motstånd när vridningsvinkeln mellan dem är 1,1 grader, kallas den "magiska vinkeln".

Men att träffa den magiska vinkeln har visat sig vara svårt. "Lagerna måste vridas till inom ungefär en tiondels grad runt 1,1, vilket är experimentellt utmanande, " sa Dean. "Vi fann att mycket små fel i anpassningen kunde ge helt andra resultat."

Så Dean och hans kollegor, som inkluderar forskare från National Institute for Materials Science och University of California, Santa Barbara, försökte testa om magiska vinkelförhållanden kunde uppnås vid större rotationer.

"Istället för att försöka kontrollera vinkeln exakt, vi frågade om vi istället kunde variera avståndet mellan lagren, sa Matthew Yankowitz, en postdoktor vid Columbias fysikavdelning och första författare till studien. "På detta sätt kan vilken vridningsvinkel som helst, i princip, förvandlas till en magisk vinkel."

De studerade ett prov med en vridningsvinkel på 1,3 grader - bara något större än den magiska vinkeln men ändå tillräckligt långt bort för att utesluta supraledning.

Genom att applicera tryck förvandlades materialet från en metall till antingen en isolator - i vilken elektricitet inte kan flöda - eller en supraledare - där elektrisk ström kan passera utan motstånd - beroende på antalet elektroner i materialet.

"Anmärkningsvärt nog, genom att applicera ett tryck på över 10, 000 atmosfärer observerar vi uppkomsten av de isolerande och supraledande faserna, " sa Dean. Dessutom, supraledningsförmågan utvecklas vid den högsta temperaturen som observerats i grafen hittills, drygt 3 grader över absoluta nollpunkten."

För att nå det höga tryck som krävs för att framkalla supraledning arbetade teamet nära med National High Magnetic Field-användaranläggningen, känd som Maglab, i Tallahassee, Florida.

"Denna ansträngning var en enorm teknisk utmaning, ", sa Dean. "Efter att ha tillverkat en av de mest unika enheter vi någonsin har arbetat med, vi var sedan tvungna att kombinera kryogena temperaturer, höga magnetfält, och högt tryck – allt samtidigt som den elektriska responsen mäts. Att få ihop allt detta var en skrämmande uppgift och vår förmåga att få det att fungera är verkligen en hyllning till den fantastiska expertisen på Maglab."

Forskarna tror att det kan vara möjligt att höja den kritiska temperaturen för supraledning ytterligare vid ännu högre tryck. Det slutliga målet är att en dag utveckla en supraledare som kan fungera under rumstemperaturförhållanden, och även om detta kan visa sig vara utmanande i grafen, det skulle kunna fungera som en färdplan för att uppnå detta mål i andra material.

Andrea Young, biträdande professor i fysik vid UC Santa Barbara, en samarbetspartner i studien, sade att arbetet tydligt visar att klämning av lagren har samma effekt som att vrida dem och erbjuder ett alternativt paradigm för att manipulera de elektroniska egenskaperna i grafen.

"Våra resultat lättar avsevärt på begränsningarna som gör det utmanande att studera systemet och ger oss nya rattar för att kontrollera det, sa Young.

Dean och Young vrider och klämmer nu en mängd olika atomärt tunna material i hopp om att hitta supraledning som dyker upp i andra tvådimensionella system.

"Att förstå "varför" något av detta händer är en formidabel utmaning men avgörande för att så småningom kunna utnyttja kraften i detta material – och vårt arbete börjar reda ut mysteriet, '" sa Dean.