Kol är inte det blankaste grundämnet, inte det mest reaktiva eller det sällsynta. Men det är en av de mest mångsidiga.

Kol är ryggraden i livet på jorden och de fossila bränslen som har blivit resultatet av det gamla livets undergång. Kol är den väsentliga ingrediensen för att förvandla järn till stål, vilket ligger bakom teknologier från medeltida svärd till skyskrapor och ubåtar. Och starka, lätta kolfibrer används i bilar, flygplan och väderkvarnar. Även bara kol i sig är utomordentligt anpassningsbart:Det är den enda ingrediensen i (bland annat) diamanter, buckyballs och grafit (de saker som används för att göra blyertspenna).

Denna sista form, grafit, är vid första anblicken den mest vardagliga, men tunna ark av den innehåller en mängd ovanlig fysik. Forskningen om individuella atomtjocka ark av grafit – kallad grafen – tog fart efter 2004 när forskare utvecklade ett tillförlitligt sätt att producera det (med vardagshäftande tejp för att upprepade gånger dra isär lager). År 2010 gav tidiga experiment som demonstrerade grafens kvantrikedom två forskare Nobelpriset i fysik.

De senaste åren har grafen fortsatt att ge. Forskare har upptäckt att stapling av lager av grafen två eller tre åt gången (kallas, respektive dubbellagers grafen eller trelagers grafen) och vridning av lagren i förhållande till varandra öppnar fruktbart nytt territorium för forskare att utforska. Forskning om dessa staplade ark av grafen är som vilda västern, komplett med lockelsen av slående guld och osäkerheten om okänt territorium.

Forskare vid JQI och Condensed Matter Theory Center (CMTC) vid University of Maryland, inklusive JQI Fellows Sankar Das Sarma och Jay Sau och andra, är upptagna med att skapa den teoretiska fysikgrunden som kommer att bli en karta över detta nya landskap. Och det finns mycket att kartlägga; fenomenen i grafen sträcker sig från det välbekanta som magnetism till mer exotiska saker som konstig metallicitet, olika versioner av kvant-Hall-effekten och Pomeranchuk-effekten - som var och en involverar elektroner som koordinerar för att producera unika beteenden. En av de mest lovande ådrorna för vetenskaplig skatt är uppkomsten av supraledning (förlustfritt elektriskt flöde) i staplad grafen.

"Här är ett system där nästan varje intressant kvantfas av materia som teoretiker någonsin kunde föreställa sig dyker upp i ett enda system när vridningsvinkeln, bärartätheten och temperaturen ställs in i ett enda prov i ett enda experiment", säger Das Sarma, som också är direktör för CMTC. "Låter som magi eller vetenskapsfantasi, förutom att det händer varje dag i minst tio laboratorier i världen."

Riken och mångfalden av de elektriska beteendena i grafenhögar har inspirerat till en rasande forskning. American Physical Society March Meeting 2021 inkluderade 13 sessioner som behandlade ämnena grafen eller vridna dubbelskikt, och Das Sarma var värd för en dagslång virtuell konferens i juni för forskare för att diskutera vriden grafen och relaterad forskning inspirerad av ämnet. Ämnet staplad grafen är flitigt representerat i vetenskapliga tidskrifter, och online arXiv preprint-server har över 2 000 artiklar publicerade om "dubbelskiktsgrafen" – nästan 1 000 sedan 2018.

Kanske överraskande är grafens rikedom av kvantforskningsmöjligheter knuten till dess fysiska enkelhet.

Grafen är ett repeterande bikakeark med en kolatom i varje hörn. Kolatomerna håller starkt fast vid varandra, vilket gör ofullkomligheter i mönstret ovanliga. Varje kolatom bidrar med en elektron som fritt kan röra sig mellan atomerna, och elektriska strömmar är mycket bra på att resa genom de resulterande arken. Dessutom är grafen lätt, har en draghållfasthet som är mer än 300 gånger större än stål och är ovanligt bra på att absorbera ljus. Dessa funktioner gör det bekvämt att arbeta med, och det är också lätt att få tag på.

Grafens rena, konsekventa struktur är en utmärkt förkroppsligande av fysikidealet hos ett tvådimensionellt fast material. Detta gör det till den perfekta lekplatsen för att förstå hur kvantfysiken spelar ut i materialet utan att forskarna behöver oroa sig för komplikationer från den extra röran som uppstår i de flesta material. Det finns sedan en mängd nya egenskaper som låses upp genom att stapla lager av grafen ovanpå varandra. Varje lager kan roteras (med vad forskare kallar en "vridvinkel") eller skiftas i förhållande till grannarnas sexkantiga mönster.

Grafens strukturella och elektriska egenskaper gör det enkelt att förändra det kvantlandskap som elektroner upplever i ett experiment, vilket ger forskarna flera alternativ för hur man kan anpassa, eller ställa in, grafens elektriska egenskaper. Att kombinera dessa grundläggande byggstenar har redan resulterat i en mängd olika resultat, och de har inte experimenterats färdigt.

En "magisk" blomstring

I kvantvärlden av elektroner i grafen är hur lagren sitter ovanpå varandra viktigt. När intilliggande ark i ett dubbelskikt vrids i förhållande till varandra hamnar vissa atomer i det översta arket nästan precis ovanför sin motsvarande granne medan på andra ställen hamnar atomer långt borta (i atomär skala) från vilken atom som helst i det andra arket . Dessa skillnader bildar gigantiska, upprepande mönster som liknar fördelningen av atomer i det enda arket men över en mycket längre skala, som visas i bilden överst i berättelsen och i den interaktiva visuella bälgen.

Varje förändring av vinkeln ändrar också skalan på det större mönstret som bildar kvantlandskapet genom vilket elektronerna färdas. Kvantmiljöerna som bildas av olika repeterande mönster (eller avsaknad av någon organisation) är en av huvudorsakerna till att elektroner beter sig olika i olika material; i synnerhet dikterar ett material kvantmiljön de interaktioner som elektroner upplever. Så varje liten vridning av ett grafenlager öppnar en helt ny värld av elektriska möjligheter.

"Den här vridningen är verkligen en ny avstämningsknapp som saknades innan upptäckten av dessa 2D-material", säger Fengcheng Wu, som har arbetat med grafenforskning med Das Sarma som JQI och CMTC postdoc och nu samarbetar med honom som professor vid Wuhan universitet i Kina. "Inom fysiken har vi inte för många avstämningsrattar. Vi har temperatur, tryck, magnetfält och elektriskt fält. Nu har vi en ny inställningsratt som är en stor sak. Och denna vridvinkel ger också nya möjligheter att studera fysik."

Forskare har upptäckt att i en speciell, liten vridningsvinkel (cirka 1,1 grader) – nyckfullt kallad den "magiska vinkeln" – är miljön helt rätt för att skapa starka interaktioner som radikalt förändrar dess egenskaper. När den exakta vinkeln nås tenderar elektronerna att klunga sig runt vissa delar av grafenet, och nya elektriska beteenden uppträder plötsligt som om de framkallats med en dramatisk magiker. Magisk vinkelgrafen beter sig som en dåligt ledande isolator under vissa omständigheter och går i andra fall till den motsatta ytterligheten av att vara en supraledare – ett material som transporterar elektricitet utan någon förlust av energi.

Upptäckten av grafen med magisk vinkel och att det har vissa kvantbeteenden som liknar en högtemperatursupraledare var årets genombrott i Physics World 2018. Supraledare har många värdefulla potentiella användningsområden, som att revolutionera energiinfrastrukturen och göra effektiva maglevtåg. Att hitta en bekväm supraledare med rumstemperatur har varit en helig gral för forskare.

Upptäckten av en lovande ny form av supraledning och en uppsjö av andra elektriska konstigheter, alla med en bekväm ny ratt att leka med, är betydande utvecklingar, men det mest spännande för fysiker är alla nya frågor som upptäckterna har väckt. Das Sarma har undersökt många aspekter av skiktad grafen, vilket resulterat i mer än 15 artiklar om ämnet sedan 2019; han säger att två av frågorna som intresserar honom mest är hur grafen blir supraledande och hur det blir magnetiskt.

"Olika grafenflerskikt visar sig vara en rikare lekplats för fysiken än någon annan känd kondenserad materia eller atomärt kollektivsystem - förekomsten av supraledning, magnetism, korrelerad isolator, konstig metall här är kopplad till en underliggande icke-trivial topologi, vilket ger ett samspel mellan interaktion, bandstruktur och topologi som är unik och aldrig tidigare skådad, säger Das Sarma. "Ämnet bör ligga i forskningens framkant under lång tid."

Konstiga sängkamrater

Forskare har känt till supraledning och magnetism under lång tid, men grafen är inte där de förväntade sig att hitta dem. Att hitta båda individuellt var en överraskning, men forskare har också funnit att de två fenomenen inträffar samtidigt i vissa experiment.

Supraledning och magnetism är vanligtvis antagonister, så deras närvaro tillsammans i en grafenstack antyder att något ovanligt händer. Forskare, som Das Sarma, hoppas att avslöja vilka interaktioner som leder till dessa fenomen i grafen kommer att ge dem en djupare förståelse av den underliggande fysiken och kanske tillåta dem att upptäcka fler material med exotiska och användbara egenskaper.

En ledtråd till skatten som möjligen väntar på att bli upptäckt är mätningar av vridna dubbelskiktsgrafens elektriska egenskaper, som liknar beteenden som ses i vissa högtemperatursupraledare. Detta tyder på att grafen kan vara avgörande för att lösa mysterierna kring supraledning vid hög temperatur.

De nuvarande ledtrådarna pekar på att elektroninteraktionernas egenheter är nyckeln till att förstå ämnet. Supraledning kräver att elektroner paras ihop, så interaktionerna som driver ihopparningen i grafenhögar är naturligtvis av intresse.

I en artikel publicerad i Physical Review B , Das Sarma, Wu och Euyheon Hwang, som tidigare var en JQI-forskare och nu är professor vid Sungkyunkwan University i Sydkorea, föreslog att det som binder elektronpar i vridet dubbelskiktsgrafen kan vara förvånansvärt vardagligt. De tror att parningsmekanismen kan vara densamma som i de mest välförstådda supraledarna. Men de tror också att det konventionella ursprunget kan resultera i okonventionella par.

Deras analys tyder på att det inte bara är interaktionerna som elektroner har med varandra som förstärks vid den magiska vinkeln utan också elektronens interaktioner med vibrationer i kolatomerna. Vibrationerna, som kallas fononer, är den kvantmekaniska versionen av ljud och andra vibrationer i material.

I de bäst förstådda supraledare är det fononer som binder elektroner i par. I dessa supraledare måste elektronerna i partnerskap ha motsatta värden på sitt spinn - en kvantegenskap relaterad till hur kvantpartiklar orienterar sig i ett magnetfält. Men teamets teori tyder på att i grafen kan denna traditionella parningsmekanism inte bara para elektroner med motsatta snurr utan också para elektroner med samma spin. Deras beskrivning av parningsmetoden ger en möjlig förklaring för att hjälpa till att förstå supraledning i vriden dubbelskiktsgrafen och grafenbaserade material mer allmänt.

"Okonventionell supraledning är mycket eftertraktad inom fysiken, eftersom den är exotisk i sig och kan även hitta tillämpningar inom topologisk kvantberäkning", säger Wu. "Vår teori ger en konventionell mekanism mot okonventionell supraledning."

På senare tid samarbetade Das Sarma, Sau, Wu och Yang-Zhi Chou, som är en JQI och CMTC postdoktoral forskare, för att utveckla ett verktyg för att hjälpa forskare att förstå en mängd olika grafenstackar. En artikel om denna forskning godkändes nyligen i Physical Review Letters. De gjorde en teoretisk ram för att utforska hur elektroner beter sig på ett hexagonalt rutnät. De inspirerades av experiment på magisk vinkel vriden treskiktsgrafen. Vriden trelagersgrafen har mittskiktet vridet i förhållande till de övre och nedre lagren, som en ostmacka med skivan vriden så att hörnen sticker ut. Denna grafensmörgås har väckt uppmärksamhet eftersom den är värd för supraledning vid en högre temperatur än versionen med två stackar.

Teamets teoretiska modell ger en beskrivning av elektronernas beteende i en viss kvantvärld. Genom att använda den på fallet med vriden treskiktsgrafen visade de att den ovanliga sammankopplingen av elektroner med samma spinn kunde dominera elektronernas beteende och vara källan till tvinnad treskiktsgrafens supraledning.

Detta nya verktyg ger en startplats för att undersöka andra grafenexperiment. Och hur den identifierade parningsmekanismen påverkar elektronerna kan ha betydelse i framtida diskussioner om magnetismens roll i grafenexperiment.

Magnetism i staplad grafen är dess eget mystiska magiska trick. Magnetism finns inte i grafit eller enstaka lager av grafen utan uppträder på något sätt när staplarna är i linje. Det är särskilt anmärkningsvärt eftersom supraledning och magnetism normalt inte kan samexistera i ett material som de ser ut att göra i grafenhögar.

"Detta okonventionella supraledande tillstånd i vriden treskiktsgrafen kan motstå ett stort magnetfält, en egenskap som sällan ses i andra kända supraledande material", säger Chou.

I en annan artikel i Physical Review B , Das Sarma och Wu tacklade gåtan med den samtidiga närvaron av både supraledning och magnetism i vriden dubbellagersgrafen – ett system som dubbellagersgrafen men där vridningen är mellan två par av linjerade grafenark (för totalt fyra ark). Denna konstruktion med ytterligare lager har väckt uppmärksamhet eftersom den skapar en kvantmiljö som är känsligare än ett grundläggande dubbelskikt för ett elektriskt fält som appliceras genom stapeln, vilket ger forskare en större förmåga att justera supraledning och magnetism och observera dem i olika kvantsituationer.

I uppsatsen ger teamet en förklaring till källan till magnetism och hur ett applicerat elektriskt fält kan producera den observerade förändringen av en stapels magnetiska beteende. De tror att magnetismen uppstår på ett helt annat sätt än den gör i vanligare magneter, som järnbaserade kylskåpsmagneter. I en järnmagnet har de enskilda järnatomerna var sitt eget lilla magnetfält. Men teamet tror att i grafen blir kolatomerna inte magnetiska. Istället tror de att magnetismen kommer från elektroner som rör sig fritt genom hela arket.

Deras teori tyder på att dubbelskiktsgrafen blir magnetiskt på grund av hur elektronerna pressar varandra bättre i den specifika kvantmiljön. Denna extra push kan leda till att elektronerna koordinerar sina individuella magnetfält för att skapa ett större fält.

Koordinationen av elektronsnurr kan också vara relevant för parning av elektroner och bildandet av potentiell supraledning. Spinn kan föreställas som en pil som vill stämma med vilket magnetfält som helst. Supraledning misslyckas normalt när magnetismen är stark nog att den sliter isär de två motsatta snurrarna. Men att båda snurren är inriktade i paren skulle förklara de två fenomen som fridfullt samexisterar i grafenexperiment.

Kring nästa vändning i floden

Även om dessa teorier fungerar som en guide för forskare som skjuter sig framåt in i grafenforskningens okända territorium, är de långt ifrån en definitiv karta. På konferensen Das Sarma anordnade i juni presenterade en forskare nya observationer av supraledning i tre staplade grafenark utan någon twist. Dessa stackar förskjuts så att inget av lagren ligger precis ovanpå varandra; varje hexagon har några av sina kolatomer placerade i mitten av de andra skiktens hexagoner. Experimentet avslöjade två distinkta områden av supraledning, varav det ena störs av magnetism och det andra inte. Detta tyder på att twisten kanske inte är den magiska ingrediensen som producerar alla de exotiska fenomenen, men den väcker också nya frågor, erbjuder en väg för att identifiera vilka elektroniska beteenden som skapas eller förstärks av den "magiska" twisten, och ger en ny möjlighet att undersöka de grundläggande källorna till den underliggande fysiken.

Inspirerade av detta arbete och tidigare observationer av magnetism i samma samarbete mellan Das Sarma, undersökte Sau, Wu och Chou matematiskt hur fononkoppling av elektroner kan spelas ut i dessa vridlösa stackar. Teamets analys tyder på att fononparning är den troliga drivkraften för båda typerna av supraledning, där en inträffar med matchande snurr och en med motsatta snurr. Detta arbete, ledd av Chou, accepterades nyligen i Physical Review Letters och har valts ut som ett PRL-redaktörsförslag.

Dessa resultat representerar bara en bråkdel av arbetet med grafenexperiment vid JQI och CMTC, och många andra forskare har tagit itu med ytterligare aspekter av detta rika ämne. Men det återstår mycket att upptäcka och förstå innan ämnet skiktad grafen kartläggs och tämjas territorium. Dessa tidiga upptäckter antyder att när forskare gräver djupare kan de upptäcka nya forskningsårer som representerar en mängd möjligheter att förstå ny fysik och kanske till och med utveckla ny teknik.

"Tillämpningar är svåra att förutsäga, men den extrema anpassningsförmågan hos dessa system som visar så många olika faser och fenomen gör det troligt att det kan finnas applikationer", säger Das Sarma. "I det här skedet är det väldigt spännande grundforskning." + Utforska vidare

Forskare observerar översättningssymmetri som bryter i vriden dubbelskiktsgrafen