Forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utvecklat en grafenanordning som är tunnare än ett människohår men har ett djup av speciella egenskaper. Den växlar lätt från ett supraledande material som leder elektricitet utan att förlora någon energi, till en isolator som motstår flödet av elektrisk ström, och tillbaka igen till en supraledare – allt med en enkel växling. Deras resultat rapporterades idag i tidskriften Natur .

"Vanligtvis, när någon vill studera hur elektroner interagerar med varandra i en supraledande kvantfas kontra en isolerande fas, de skulle behöva titta på olika material. Med vårt system, du kan studera både supraledningsfasen och isoleringsfasen på ett ställe, sa Guorui Chen, studiens huvudförfattare och en postdoktor i Feng Wangs labb, som ledde studien. Wang, en fakultetsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, är också fysikprofessor vid UC Berkeley.

Grafenanordningen består av tre atomärt tunna (2-D) lager av grafen. När det är inklämt mellan 2D-lager av bornitrid, det bildar ett återkommande mönster som kallas ett moiré-supergitter. Materialet kan hjälpa andra forskare att förstå den komplicerade mekaniken bakom ett fenomen som kallas supraledning vid hög temperatur, där ett material kan leda elektricitet utan motstånd vid temperaturer högre än förväntat, men fortfarande hundratals grader under fryspunkten.

I en tidigare studie, forskarna rapporterade att de observerade egenskaperna hos en Mott-isolator i en enhet gjord av treskiktsgrafen. En Mott-isolator är en klass av material som på något sätt slutar leda elektricitet vid hundratals grader under fryspunkten trots klassisk teori som förutsäger elektrisk ledningsförmåga. Men man har länge trott att en Mott-isolator kan bli supraledande genom att lägga till fler elektroner eller positiva laddningar för att göra den supraledande, Chen förklarade.

Under de senaste 10 åren, forskare har studerat sätt att kombinera olika 2D-material, börjar ofta med grafen – ett material känt för sin förmåga att effektivt leda värme och elektricitet. Utanför detta arbete, andra forskare hade upptäckt att moiré-supergitter bildade med grafen uppvisar exotisk fysik som supraledning när lagren är justerade i precis rätt vinkel.

"Så för denna studie frågade vi oss själva, "Om vårt treskiktiga grafensystem är en Mott-isolator, kan det också vara en supraledare?'" sa Chen.

Öppnar porten till en ny värld av fysik

Arbetar med David Goldhaber-Gordon från Stanford University och Stanford Institute for Materials and Energy Sciences vid SLAC National Accelerator Laboratory, och Yuanbo Zhang från Fudan University, forskarna använde ett utspädningskylskåp, som kan nå intensivt kalla temperaturer på 40 millikelvin - eller nästan minus 460 grader Fahrenheit - för att kyla grafen/bornitrid-enheten till en temperatur vid vilken forskarna förväntade sig att supraledning skulle uppträda nära Mott-isolatorfasen, sa Chen.

När enheten nådde en temperatur på 4 kelvin (minus 452 grader Fahrenheit), forskarna applicerade en rad elektriska spänningar på enhetens små övre och nedre grindar. Som de förväntade sig, när de applicerade ett högt vertikalt elektriskt fält på både övre och nedre grindarna, en elektron fyllde varje cell i grafen/bornitridanordningen. Detta fick elektronerna att stabiliseras och stanna på plats, och denna "lokalisering" av elektroner gjorde enheten till en Mott-isolator.

Sedan, de applicerade en ännu högre elektrisk spänning på grindarna. Till deras glädje, en andra läsning visade att elektronerna inte längre var stabila. Istället, de pendlade omkring, flytta från cell till cell, och leder elektricitet utan förlust eller motstånd. Med andra ord, enheten hade växlat från Mott-isolatorfasen till supraledarfasen.

Chen förklarade att bornitridmoiré-supergittret på något sätt ökar elektron-elektron-interaktionerna som äger rum när en elektrisk spänning appliceras på enheten, en effekt som slår på sin supraledande fas. Det är också reversibelt - när en lägre elektrisk spänning appliceras på grindarna, enheten växlar tillbaka till ett isolerande tillstånd.

Multitasking-enheten erbjuder forskare en liten, mångsidig lekplats för att studera det utsökta samspelet mellan atomer och elektroner i exotiska nya supraledande material med potentiell användning i kvantdatorer – datorer som lagrar och manipulerar information i qubits, som vanligtvis är subatomära partiklar som elektroner eller fotoner – såväl som nya Mott-isolatormaterial som en dag skulle kunna göra små 2-D Mott-transistorer för mikroelektronik till verklighet.

"Det här resultatet var väldigt spännande för oss. Vi hade aldrig föreställt oss att grafen/bornitrid-anordningen skulle göra så bra, " sa Chen. "Du kan studera nästan allt med den, från enstaka partiklar till supraledning. Det är det bästa systemet jag känner till för att studera nya typer av fysik, " sa Chen.

Denna studie fick stöd av Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), ett Energy Frontier Research Center som leds av Berkeley Lab och finansieras av DOE Office of Science. NPQC samlar forskare vid Berkeley Lab, Argonne National Laboratory, Columbia University, och UC Santa Barbara för att studera hur kvantkoherens ligger till grund för oväntade fenomen i nya material som treskiktsgrafen, med ett öga mot framtida användningar inom kvantinformationsvetenskap och -teknologi.