Upptäckten 2018 av supraledning i två enatomtjocka lager av grafen staplade i en exakt vinkel på 1,1 grader (kallad "magisk"-vinkel vriden dubbelskiktsgrafen) kom som en stor överraskning för det vetenskapliga samfundet. Sedan upptäckten har fysiker frågat om magisk grafens supraledning kan förstås med hjälp av befintlig teori, eller om det krävs fundamentalt nya tillvägagångssätt - som de som har skapats för att förstå den mystiska keramiska föreningen som är supraledande vid höga temperaturer. Nu, som rapporterats i tidskriften Nature , Princeton-forskare har avgjort denna debatt genom att visa en kuslig likhet mellan supraledningsförmågan hos magisk grafen och den hos högtemperatursupraledare. Magiskt grafen kan hålla nyckeln till att låsa upp nya mekanismer för supraledning, inklusive supraledning vid hög temperatur.

Ali Yazdani, professor i fysik från 1909 och chef för Center for Complex Materials vid Princeton University ledde forskningen. Han och hans team har studerat många olika typer av supraledare genom åren och har nyligen riktat sin uppmärksamhet mot magisk dubbelskiktsgrafen.

"Vissa har hävdat att magisk dubbelskiktsgrafen faktiskt är en vanlig supraledare förklädd i ett extraordinärt material", sa Yazdani, "men när vi undersökte det mikroskopiskt har det många av egenskaperna hos högtemperatur-kupratsupraledare. Det är ett déjà vu-ögonblick."

Superledning är ett av naturens mest spännande fenomen. Det är ett tillstånd där elektroner flödar fritt utan motstånd. Elektroner är subatomära partiklar som bär negativa elektriska laddningar; de är avgörande för vårt sätt att leva eftersom de driver vår vardagliga elektronik. Under normala omständigheter beter sig elektroner oregelbundet, hoppar och stöter mot varandra på ett sätt som i slutändan är ineffektivt och slösar bort energi.

Men under supraledning parar sig elektroner plötsligt och börjar flöda unisont, som en våg. I detta tillstånd förlorar elektronerna inte bara energi, de uppvisar också många nya kvantegenskaper. Dessa egenskaper har möjliggjort ett antal praktiska tillämpningar, inklusive magneter för MRI och partikelacceleratorer samt vid framställning av kvantbitar som används för att bygga kvantdatorer. Supraledning upptäcktes först vid extremt låga temperaturer i element som aluminium och niob. På senare år har den hittats nära rumstemperaturer under extraordinärt högt tryck, och även vid temperaturer strax över kokpunkten för flytande kväve (77 grader Kelvin) i keramiska föreningar.

Men alla supraledare är inte skapade lika.

Supraledare gjorda av rena element som aluminium är vad forskare kallar konventionella. Det supraledande tillståndet – där elektronerna paras ihop – förklaras av vad som kallas Bardeen-Cooper-Schrieffer-teorin (BCS). Detta har varit standardbeskrivningen av supraledning som har funnits sedan slutet av 1950-talet. Men från och med slutet av 1980-talet upptäcktes nya supraledare som inte passade BCS-teorin. Mest anmärkningsvärda bland dessa "okonventionella" supraledare är de keramiska kopparoxiderna (kallade kuprater) som har förblivit en gåta under de senaste trettio åren.

Den ursprungliga upptäckten av supraledning i magisk dubbelskiktsgrafen av Pablo Jarillo-Herrero och hans team vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) visade att materialet börjar först som en isolator men med liten tillsats av laddningsbärare blir det supraledande. Uppkomsten av supraledning från en isolator, snarare än en metall, är ett av kännetecknen för många okonventionella supraledare, inklusive mest kända kupraterna.

"De misstänkte att supraledning kunde vara okonventionell, som kupraterna, men de hade tyvärr inga specifika experimentella mätningar av det supraledande tillståndet för att stödja denna slutsats", säger Myungchul Oh, en postdoktoral forskningsassistent och en av de ledande medförfattarna till tidningen.

För att undersöka de supraledande egenskaperna hos magisk dubbelskiktsgrafen använde Oh och hans kollegor ett scanning tunneling microscope (STM) för att se den oändligt lilla och komplexa världen av elektroner. Denna enhet förlitar sig på ett nytt fenomen som kallas "quantum tunneling", där elektroner leds mellan den vassa metalliska spetsen på mikroskopet och provet. Mikroskopet använder denna tunnelström snarare än ljus för att se elektronernas värld på atomär skala.

"STM är ett perfekt verktyg för att göra den här typen av experiment", säger Kevin Nuckolls, doktorand i fysik och en av tidningens huvudförfattare. "Det finns många olika mätningar som STM kan göra. Den kan komma åt fysiska variabler som vanligtvis är otillgängliga för andra [experimentella tekniker]."

När teamet analyserade data, märkte de två viktiga egenskaper, eller "signaturer", som stack ut, vilket tipsade dem om att det magiska tvåskiktsgrafenprovet uppvisade okonventionell supraledning. Den första signaturen var att de parade elektronerna som supraledare har en ändlig rörelsemängd, ett beteende som är analogt med det som hittades i högtemperatur-kupraterna för tjugo år sedan. När par bildas i en konventionell supraledare har de inte ett nettomomentum, på ett sätt som är analogt med en elektron bunden till väteatomen i vätets s-orbital.

STM fungerar genom att tunnla elektroner in och ut i provet. I en supraledare, där alla elektroner är parade, är strömmen mellan provet och STM-spetsen endast möjlig när supraledarens par bryts isär. "Det tar energi att bryta isär paret, och energiberoendet för denna ström beror på karaktären av parningen. I magisk grafen hittade vi energiberoendet som förväntas för ändlig momentumparning," sa Yazdani. "Detta fynd begränsar starkt den mikroskopiska mekanismen för parning i magisk grafen."

Princeton-teamet upptäckte också hur magisk dubbelskiktsgrafen beter sig när det supraledande tillståndet släcks genom att öka temperaturen eller applicera ett magnetfält. I konventionella supraledare är materialets beteende detsamma som för en normal metall när supraledning dödas - elektronerna kopplas upp. Men i okonventionella supraledare verkar elektronerna bibehålla viss korrelation även när de inte är supraledande, en situation som visar sig när det finns ungefär en tröskelenergi för att ta bort elektroner från provet. Fysiker hänvisar till denna tröskelenergi som en "pseudogap", ett beteende som finns i det icke-supraledande tillståndet hos många okonventionella supraledare. Dess ursprung har varit ett mysterium i mer än tjugo år.

"En möjlighet är att elektroner fortfarande är något ihopparade även om provet inte är supraledande", säger Nuckolls. "Ett sådant pseudogap-tillstånd är som en misslyckad supraledare."

Den andra möjligheten, noterad i Nature papper, är att någon annan form av kollektivt elektroniskt tillstånd, som är ansvarigt för pseudogap, först måste bildas innan supraledning kan inträffa.

"I vilket fall som helst, likheten av en experimentell signatur av en peusdogap med cuprates såväl som ändlig momentumparning kan inte bara vara en slump," sa Yazdani. "De här problemen ser väldigt relaterade ut."

Framtida forskning, sa Oh, kommer att involvera att försöka förstå vad som får elektroner att paras ihop i okonventionell supraledning - ett fenomen som fortsätter att irritera fysiker. BCS-teorin bygger på svag interaktion mellan elektroner med deras parning möjlig på grund av deras ömsesidiga interaktion med jonernas underliggande vibration. Paret av elektroner i okonventionella supraledare är dock ofta mycket starkare än i enkla metaller, men orsaken - "limmet" som binder ihop dem - är för närvarande inte känd.

"Jag hoppas att vår forskning kommer att hjälpa fysiksamhället att bättre förstå mekaniken för okonventionell supraledning," sa Oh. "Vi hoppas vidare att vår forskning kommer att motivera experimentella fysiker att arbeta tillsammans för att avslöja arten av detta fenomen."

Studien, "Evidence for Unconventional Superconductivity in Twisted Bilayer Graphene", publicerades 20 oktober 2021 i tidskriften Nature . + Utforska vidare

Forskning finner överraskande elektroninteraktion i grafen med "magisk vinkel"