När två ark grafen staplas ovanpå varandra i precis rätt vinkel, den skiktade strukturen förvandlas till en okonventionell supraledare, låta elektriska strömmar passera utan motstånd eller slöseri med energi.

Denna "magiska vinkel"-transformation i tvåskiktsgrafen observerades för första gången 2018 i gruppen Pablo Jarillo-Herrero, Cecil och Ida Green professor i fysik vid MIT. Sedan dess, forskare har sökt efter andra material som på liknande sätt kan vridas till supraledning, inom det framväxande området "twistronics". För det mesta, inget annat vridet material har uppvisat supraledning än den ursprungliga vridna tvåskiktsgrafenen, tills nu.

I en tidning som dyker upp i Natur , Jarillo-Herrero och hans grupp rapporterar att de observerar supraledning i en sandwich av tre grafenark, vars mittskikt är vridet i en ny vinkel i förhållande till de yttre skikten. Denna nya treskiktskonfiguration uppvisar superledning som är mer robust än dess motsvarighet i två skikt.

Forskarna kan också ställa in strukturens supraledning genom att applicera och variera styrkan på ett externt elektriskt fält. Genom att ställa in treskiktsstrukturen, forskarna kunde producera ultrastarkt kopplad supraledning, en exotisk typ av elektriskt beteende som sällan har setts i något annat material.

"Det var inte klart om tvåskiktsgrafen med magisk vinkel var en exceptionell sak, men nu vet vi att det inte är ensamt; den har en kusin i trilayer-fallet, " säger Jarillo-Herrero. "Upptäckten av denna hypertunerbara supraledare utökar twistronikfältet till helt nya riktningar, med potentiella tillämpningar inom kvantinformation och avkänningsteknik."

Hans medförfattare är huvudförfattaren Jeong Min Park och Yuan Cao vid MIT, och Kenji Watanabe och Takashi Taniguchi från National Institute of Materials Science i Japan.

En ny superfamilj

Strax efter att Jarillo-Herrero och hans kollegor upptäckte att supraledning kunde genereras i vriden dubbelskiktsgrafen, teoretiker föreslog att samma fenomen kan ses i tre eller flera lager av grafen.

Ett ark grafen är ett atomtunt lager av grafit, gjord helt av kolatomer ordnade i ett bikakegitter, som den tunnaste, kraftigaste kycklingnätet. Teoretikerna föreslog att om tre ark grafen staplades som en smörgås, med mittskiktet roterat 1,56 grader i förhållande till de yttre skikten, den vridna konfigurationen skulle skapa en sorts symmetri som skulle uppmuntra elektroner i materialet att para ihop sig och flöda utan motstånd – kännetecknet för supraledning.

"Vi trodde, varför inte, låt oss ge det ett försök och testa den här idén, " säger Jarillo-Herrero.

Park och Cao konstruerade treskiktsgrafenstrukturer genom att försiktigt skära upp ett enda skitbra ark grafen i tre sektioner och stapla varje sektion ovanpå varandra i de exakta vinklarna som teoretikerna förutspådde.

De gjorde flera treskiktsstrukturer, var och en mäter några mikrometer i diameter (cirka 1/100 av diametern på ett människohår), och tre atomer höga.

"Vår struktur är en nanosandwich, " säger Jarillo-Herrero.

Teamet fäste sedan elektroder till vardera änden av strukturerna, och gick igenom en elektrisk ström samtidigt som man mätte mängden energi som förlorades eller försvann i materialet.

"Vi såg ingen energi som försvann, vilket betyder att det var en supraledare, " säger Jarillo-Herrero. "Vi måste ge kredit till teoretikerna - de fattade vinkeln rätt."

Han tillägger att den exakta orsaken till strukturens supraledning – oavsett om det beror på dess symmetri, som teoretikerna föreslog, eller inte - återstår att se, and is something that the researchers plan to test in future experiments.

"For the moment we have a correlation, not a causation, " he says. "Now at least we have a path to possibly explore a large family of new superconductors based on this symmetry idea."

"The biggest bang"

In exploring their new trilayer structure, the team found they could control its superconductivity in two ways. With their previous bilayer design, the researchers could tune its superconductivity by applying an external gate voltage to change the number of electrons flowing through the material. As they dialed the gate voltage up and down, they measured the critical temperature at which the material stopped dissipating energy and became superconductive. På det här sättet, the team was able to tune bilayer graphene's superconductivity on and off, similar to a transistor.

The team used the same method to tune trilayer graphene. They also discovered a second way to control the material's superconductivity that has not been possible in bilayer graphene and other twisted structures. By using an additional electrode, the researchers could apply an electric field to change the distribution of electrons between the structure's three layers, without changing the structure's overall electron density.

"These two independent knobs now give us a lot of information about the conditions where superconductivity appears, which can provide insight into the key physics critical to the formation of such an unusual superconducting state, " Park says.

Using both methods to tune the trilayer structure, the team observed superconductivity under a range of conditions, including at a relatively high critical temperature of 3 kelvins, even when the material had a low density of electrons. I jämförelse, aluminum, which is being explored as a superconductor for quantum computing, has a much higher density of electrons and only becomes superconductive at about 1 kelvin.

"We found magic-angle trilayer graphene can be the strongest coupled superconductor, meaning it superconducts at a relatively high temperature, given how few electrons it can have, " Jarillo-Herrero says. "It gives the biggest bang for your buck."

The researchers plan to fabricate twisted graphene structures with more than three layers to see whether such configurations, with higher electron densities, can exhibit superconductivity at higher temperatures, even approaching room temperature.

"If we could make these structures as they are now, at industrial scale, we could make superconducting bits for quantum computation, or cryogenic superconductive electronics, fotodetektorer, etc. We haven't figured out how to make billions of these at a time, " Jarillo-Herrrero says.

"Our main goal is to figure out the fundamental nature of what underlies strongly coupled superconductivity, " Park says. "Trilayer graphene is not only the strongest-coupled superconductor ever found, but also the most tunable. With that tunability we can really explore superconductivity, everywhere in the phase space."