Forskare vid ETH Zürich har lyckats förvandla speciellt framställda grafenflingor antingen till isolatorer eller till supraledare genom att applicera en elektrisk spänning. Denna teknik fungerar även lokalt, vilket innebär att i samma grafenflingregioner med helt olika fysikaliska egenskaper kan realiseras sida vid sida.

Tillverkningen av moderna elektroniska komponenter kräver material med mycket olika egenskaper. Det finns isolatorer, till exempel, som inte leder elektrisk ström, och supraledare som transporterar den utan några förluster. För att erhålla en viss funktionalitet hos en komponent måste man vanligtvis sammanfoga flera sådana material. Ofta är det inte lätt, i synnerhet när det gäller nanostrukturer som är i utbredd användning idag. Ett team av forskare vid ETH Zürich ledda av Klaus Ensslin och Thomas Ihn vid Laboratory for Solid State Physics har nu lyckats få ett material att växelvis bete sig som en isolator eller som en supraledare – eller till och med som båda på olika platser i samma material – genom att helt enkelt lägga på en elektrisk spänning. Deras resultat har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Naturens nanoteknik . Arbetet stöddes av National Centre of Competence in Research QSIT (Quantum Science and Technology).

Grafen med en magisk vinkel

Materialet Ensslin och hans medarbetare använder bär det något krångliga namnet "Magic Angle Twisted Bilayer Graphene". I själva verket, detta namn döljer något ganska enkelt och välkänt, nämligen kol – om än i en viss form och med en speciell twist. Utgångspunkten för materialet är grafenflingor, som är kollager som bara är en atom tjocka. Forskarna lägger två av dessa lager ovanpå varandra på ett sådant sätt att deras kristallaxlar inte är parallella, utan gör hellre en "magisk vinkel" på exakt 1,06 grader. "Det är ganska knepigt, och vi måste också noggrant kontrollera flingornas temperatur under produktionen. Som ett resultat, det blir ofta fel, " förklarar Peter Rickhaus, som var inblandad i experimenten som postdoc.

I tjugo procent av försöken dock, det fungerar, och grafenflingornas atomkristallgitter skapar då ett så kallat moirémönster där materialets elektroner beter sig annorlunda än i vanlig grafen. Moirémönster är bekanta från TV, till exempel, där samspelet mellan ett mönstrat plagg och tv-bildens skanningslinjer kan leda till intressanta optiska effekter. Ovanpå de magiska vinkelgrafenflingorna fäster forskarna flera ytterligare elektroder som de kan använda för att lägga en elektrisk spänning på materialet. När de sedan kyler ner allt till några hundradels grader över absoluta noll, något anmärkningsvärt händer. Beroende på den applicerade spänningen, grafenflingorna beter sig på två helt motsatta sätt:antingen som supraledare eller som isolator. Denna omkopplingsbara supraledning demonstrerades redan 2018 vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA. Ännu idag kan bara ett fåtal grupper över hela världen producera sådana prover.

Isolator och supraledare i samma material

Ensslin och hans kollegor går nu ett steg längre. Genom att applicera olika spänningar på de enskilda elektroderna förvandlar de den magiska vinkeln grafen till en isolator på en plats, men några hundra nanometer åt ena sidan blir det en supraledare.

"När vi såg det, vi försökte uppenbarligen först realisera en Josephson-korsning, säger Fokko de Vries, som också är postdoc i Ensslins laboratorium. I sådana förbindelser är två supraledare åtskilda av ett skivtunt isolerande skikt. På det här sättet, ström kan inte flyta direkt mellan de två supraledarna utan måste snarare tunnla kvantmekaniskt genom isolatorn. Den där, i tur och ordning, gör att kontaktens ledningsförmåga varierar som en funktion av strömmen på ett karakteristiskt sätt, beroende på om lik- eller växelström används.

Möjliga tillämpningar inom kvantteknik

ETH-forskarna lyckades producera en Josephson-korsning inuti grafenflingorna vridna av den magiska vinkeln genom att använda olika spänningar som applicerades på de tre elektroderna, och även för att mäta dess egenskaper. "Nu när det också har fungerat, vi kan prova mer komplexa enheter som SQUIDs, " säger de Vries. I SQUIDs ("superledande kvantinterferensanordning") är två Josephson-övergångar anslutna för att bilda en ring. Praktiska tillämpningar av sådana enheter inkluderar mätningar av små magnetfält, men även modern teknik som kvantdatorer. För möjlig användning i kvantdatorer, en intressant aspekt är att med hjälp av elektroderna kan grafenflingorna inte bara omvandlas till isolatorer och supraledare, men också i magneter eller så kallade topologiska isolatorer, där ström bara kan flyta i en riktning längs materialets kant. Detta skulle kunna utnyttjas för att realisera olika typer av kvantbitar (qubits) i en enda enhet.

Ett tangentbord för material

"Än så länge, dock, det är bara spekulationer, säger Ensslin. Ändå, han är entusiastisk över de möjligheter som uppstår från den elektriska styrningen redan nu. "Med elektroderna, vi kan praktiskt taget spela piano på grafen." Bl.a. fysikerna hoppas att detta ska hjälpa dem att få nya insikter om de detaljerade mekanismerna som åstadkommer supraledning i magisk vinkelgrafen.