Under 2018, fysiker visade att något intressant händer när två ark av nanomaterialet grafen läggs ovanpå varandra. När ett lager roteras till en "magisk vinkel" på cirka 1,1 grader i förhållande till det andra, systemet blir en supraledare – vilket betyder att det leder elektricitet med noll motstånd. Ännu mer spännande, det fanns bevis för att det var en okonventionell form av supraledning – en typ som kan hända vid temperaturer långt över den absoluta nollpunkten, där de flesta supraledande material fungerar.

Sedan den första upptäckten, forskare har arbetat för att förstå detta exotiska tillstånd av materia. Nu, en forskargrupp ledd av Brown University fysiker har hittat ett nytt sätt att exakt undersöka karaktären hos det supraledande tillståndet i magisk vinkelgrafen. Tekniken gör det möjligt för forskare att manipulera den frånstötande kraften mellan valen – Coulomb-interaktionen – i systemet. I en studie publicerad i tidskriften Vetenskap , forskarna visar att magisk vinkelsupraledning blir mer robust när Coulomb-interaktionen minskar, en viktig del av information för att förstå hur denna supraledare fungerar.

"Det här är första gången någon har visat att du direkt kan manipulera styrkan av Coulomb-interaktion i ett starkt korrelerat elektroniskt system, " sa Jia Li, en biträdande professor i fysik vid Brown och motsvarande författare till forskningen. "Supraledning drivs av interaktioner mellan elektroner, så när vi kan manipulera den interaktionen, det säger oss något riktigt viktigt om det systemet. I detta fall, Att visa att svagare Coulomb-interaktion stärker supraledning ger en viktig ny teoretisk begränsning för detta system."

Det ursprungliga fyndet från 2018 av potentiellt okonventionell supraledning i grafen med magisk vinkel genererade ett stort intresse i fysiksamhället. Grafen - en atomtjocka ark av kol - är ett relativt enkelt material. Om det verkligen stödde okonventionell supraledning, grafenens enkelhet skulle göra det till en idealisk plats att utforska hur fenomenet fungerar, säger Li.

"Okonventionella supraledare är spännande på grund av deras höga övergångstemperatur och potentiella tillämpningar i kvantdatorer, förlustfria elnät och på andra ställen, ", sa Li. "Men vi har fortfarande ingen mikroskopisk teori för hur de fungerar. Det var därför alla var så exalterade när något som såg ut som okonventionell supraledning hände i grafen med magisk vinkel. Dess enkla kemiska sammansättning och inställbarhet i vridningsvinkel lovar en tydligare bild."

Konventionell supraledning förklarades först på 1950-talet av en grupp fysiker som inkluderade den mångårige Brown-professorn och Nobelpristagaren Leon Cooper. De visade att elektroner i en supraledare förvränger atomgittret i ett material på ett sätt som får elektroner att bilda kvantduos som kallas Cooper-par, som kan röra sig genom det materialet obehindrat. I okonventionella supraledare, elektronpar bildas på ett sätt som anses vara lite annorlunda än Cooper-mekanismen, men forskarna vet ännu inte vad den mekanismen är.

För denna nya studie, Li och hans kollegor kom på ett sätt att använda Coulomb-interaktion för att undersöka elektronparning i magisk vinkelgrafen. Cooper-parning låser ihop elektroner på ett visst avstånd från varandra. Den parningen konkurrerar med Coulomb-interaktionen, som försöker trycka isär elektronerna. Om det var möjligt att försvaga Coulomb-interaktionen, Cooper-par borde i teorin bli starkare kopplade, gör det supraledande tillståndet mer robust. Det skulle ge ledtrådar om huruvida Cooper-mekanismen hände i systemet.

För att manipulera Coulomb-interaktionen för denna studie, forskarna byggde en enhet som för ett ark med magisk vinkelgrafen i mycket nära anslutning till en annan typ av grafenark som kallas ett Bernal-dubbelskikt. Eftersom de två lagren är så tunna och så nära varandra, elektroner i det magiska vinkelprovet blir aldrig så lätt attraherade till positivt laddade områden i Bernal-skiktet. Den attraktionen mellan lagren försvagar effektivt Coulomb-interaktionen som känns mellan elektroner inom det magiska vinkelprovet, ett fenomen som forskarna kallar Coulomb-screening.

En egenskap hos Bernal-skiktet gjorde det särskilt användbart i denna forskning. Bernal-skiktet kan växlas mellan en ledare till isolator genom att ändra en spänning som appliceras vinkelrätt mot skiktet. Coulomb-screeningseffekten inträffar endast när Bernal-skiktet är i den ledande fasen. Så genom att växla mellan att leda och isolera och observera motsvarande förändringar i supraledning, forskarna kunde säkerställa att det de såg berodde på Coulomb-screening.

Arbetet visade att den supraledande fasen blev starkare när Coulomb-interaktionen försvagades. Temperaturen vid vilken fasen bröts ned blev högre, och var mer robust mot magnetfält, som stör supraledare.

"Att se denna Coulomb-effekt i det här materialet var lite överraskande, " sa Li. "Vi förväntar oss att se detta hända i en konventionell supraledare, ändå finns det massor av bevis som tyder på att magisk vinkelgrafen är en okonventionell supraledare. Så varje mikroskopisk teori om denna supraledande fas måste ta hänsyn till denna information."

Li sa att resultaten är en kredit till Xiaoxue Liu, en postdoktor vid Brown och studiens huvudförfattare, som byggde enheten som gjorde fynden möjliga.

"Ingen har någonsin byggt något liknande förut, " sa Li. "Allt måste vara otroligt exakt ner till nanometerskalan, från vridningsvinkeln för grafenet till avståndet mellan lagren. Xiaoxue gjorde verkligen ett fantastiskt jobb. Vi hade också nytta av den teoretiska vägledningen av Oskar Vafek, en teoretisk fysiker från Florida State University."

Även om denna studie ger en viktig ny information om magisk vinkelgrafen, det finns mycket mer som tekniken kan avslöja. Till exempel, denna första studie tittade bara på en del av fasutrymmet för magisk vinkel supraledning. Det är möjligt, Li säger, att beteendet hos den supraledande fasen varierar i olika delar av fasrummet, och ytterligare forskning kommer att avslöja det.

"Förmågan att screena Coulomb-interaktionen ger oss en ny experimentell ratt att vrida för att hjälpa till att förstå dessa kvantfenomen, " sa Li. "Denna metod kan användas med vilket tvådimensionellt material som helst, så jag tror att den här metoden kommer att vara användbar för att hjälpa till att konstruera nya typer av material."