Các nhà vật lý của MIT khám phá Graphene “Góc ma thuật” Trilayer có thể là một chất siêu dẫn hiếm, chống nam châm

Siêu dẫn xoắn

Các nhà vật lý của MIT đã quan sát thấy các dấu hiệu của một loại siêu dẫn hiếm gặp trong một vật liệu gọi là graphene ba lớp xoắn “góc kỳ diệu”. Tín dụng: Được phép của Pablo Jarillo-Herrero, Yuan Cao, Jeong Min Park, et al

Những phát hiện mới có thể giúp cung cấp thông tin về thiết kế của các máy MRI mạnh hơn hoặc máy tính lượng tử mạnh mẽ.

Các nhà vật lý của MIT đã quan sát thấy các dấu hiệu của một loại siêu dẫn hiếm gặp trong một vật liệu gọi là graphene tri lớp xoắn góc kỳ diệu. Trong một nghiên cứu xuất hiện trong Thiên nhiên, các nhà nghiên cứu báo cáo rằng vật liệu này thể hiện tính siêu dẫn ở từ trường cao đáng ngạc nhiên lên tới 10 Tesla, cao gấp ba lần so với những gì vật liệu được dự đoán chịu đựng nếu nó là một chất siêu dẫn thông thường.

Các kết quả ngụ ý mạnh mẽ rằng graphene tri lớp góc ma thuật, được phát hiện ban đầu bởi cùng một nhóm, là một loại chất siêu dẫn rất hiếm, được gọi là “bộ ba spin”, không thấm từ trường cao. Những chất siêu dẫn kỳ lạ như vậy có thể cải thiện đáng kể các công nghệ như chụp cộng hưởng từ, sử dụng dây siêu dẫn dưới từ trường để cộng hưởng và hình ảnh mô sinh học. Máy MRI hiện được giới hạn trong trường nam châm từ 1 đến 3 Tesla. Nếu chúng có thể được chế tạo bằng chất siêu dẫn spin-triplet, MRI có thể hoạt động dưới từ trường cao hơn để tạo ra những hình ảnh sâu hơn, sắc nét hơn về cơ thể con người.

Bằng chứng mới về tính siêu dẫn spin-bat trong graphene ba lớp cũng có thể giúp các nhà khoa học thiết kế các chất siêu dẫn mạnh hơn cho tính toán lượng tử thực tế.

“Giá trị của thí nghiệm này là những gì nó dạy chúng ta về hiện tượng siêu dẫn cơ bản, về cách vật liệu có thể hoạt động, để với những bài học kinh nghiệm đó, chúng ta có thể cố gắng thiết kế các nguyên tắc cho các vật liệu khác dễ sản xuất hơn, điều đó có thể mang lại cho bạn tốt hơn siêu dẫn, ”Pablo Jarillo-Herrero, Giáo sư Vật lý Cecil và Ida Green tại MIT cho biết.

Các đồng tác giả của ông trên bài báo bao gồm postdoc Yuan Cao và nghiên cứu sinh Jeong Min Park tại MIT, và Kenji Watanabe và Takashi Taniguchi thuộc Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia ở Nhật Bản.

Sự thay đổi kỳ lạ

Vật liệu siêu dẫn được định nghĩa bởi khả năng dẫn điện siêu hiệu quả mà không mất năng lượng. Khi tiếp xúc với dòng điện, các electron trong chất siêu dẫn ghép đôi thành “cặp Cooper”, sau đó di chuyển qua vật liệu mà không có điện trở, giống như hành khách trên tàu tốc hành.

Trong phần lớn các chất siêu dẫn, các cặp hành khách này có spin ngược nhau, với một điện tử quay lên và điện tử kia quay xuống – một cấu hình được gọi là “spin-đơn”. Các cặp này tăng tốc nhanh chóng thông qua một chất siêu dẫn, ngoại trừ dưới từ trường cao, có thể chuyển năng lượng của mỗi electron theo các hướng ngược nhau, kéo các cặp ra xa nhau. Bằng cách này, và thông qua các cơ chế, từ trường cao có thể làm lệch tính siêu dẫn trong các chất siêu dẫn spin-singlet thông thường.

Park nói: “Đó là lý do cuối cùng tại sao trong một từ trường đủ lớn, hiện tượng siêu dẫn biến mất.

Nhưng tồn tại một số ít chất siêu dẫn kỳ lạ không thấm từ trường, với cường độ lên đến rất lớn. Những vật liệu này siêu dẫn thông qua các cặp electron có cùng spin – một đặc tính được gọi là “spin-triplet”. Khi tiếp xúc với từ trường cao, năng lượng của cả hai electron trong cặp Cooper chuyển dịch theo cùng một hướng, theo cách chúng không bị kéo ra xa nhau mà vẫn tiếp tục siêu dẫn không bị nhiễu, không phụ thuộc vào cường độ từ trường.

Nhóm của Jarillo-Herrero tò mò liệu graphene ba lớp góc ma thuật có thể ẩn chứa những dấu hiệu của hiện tượng siêu dẫn ba lớp spin bất thường hơn này hay không. Nhóm đã tạo ra công trình tiên phong trong việc nghiên cứu cấu trúc moiré graphene – các lớp mạng tinh thể carbon mỏng nguyên tử, khi xếp chồng lên nhau ở các góc cụ thể, có thể tạo ra các hành vi điện tử đáng ngạc nhiên.

Các nhà nghiên cứu ban đầu báo cáo các đặc tính kỳ lạ như vậy trong hai tấm graphene có góc cạnh, được họ gọi là graphene hai lớp góc ma thuật. Họ nhanh chóng theo dõi các thử nghiệm đối với graphene tri lớp, một cấu hình bánh sandwich của ba tấm graphene hóa ra thậm chí còn mạnh hơn so với đối tác hai lớp của nó, vẫn giữ được tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn. Khi các nhà nghiên cứu áp dụng một từ trường khiêm tốn, họ nhận thấy rằng graphene tri lớp có thể siêu dẫn ở cường độ trường sẽ phá hủy tính siêu dẫn trong graphene hai lớp.

Jarillo-Herrero nói: “Chúng tôi nghĩ, đây là một điều gì đó rất kỳ lạ.

Một sự trở lại tuyệt vời

Trong nghiên cứu mới của họ, các nhà vật lý đã thử nghiệm tính siêu dẫn của trilayer graphene dưới từ trường ngày càng cao. Họ chế tạo vật liệu này bằng cách bóc tách các lớp carbon mỏng nguyên tử từ một khối than chì, xếp ba lớp lại với nhau và xoay giữa một góc 1,56 độ so với các lớp bên ngoài. Họ gắn một điện cực vào một trong hai đầu của vật liệu để cho dòng điện chạy qua và đo bất kỳ năng lượng nào bị mất đi trong quá trình này. Sau đó, họ bật một nam châm lớn trong phòng thí nghiệm, với một trường mà họ định hướng song song với vật liệu.

Khi tăng từ trường xung quanh graphene tri lớp, họ quan sát thấy rằng chất siêu dẫn giữ mạnh đến một điểm trước khi biến mất, nhưng sau đó lại xuất hiện một cách kỳ lạ ở cường độ trường cao hơn – một sự trở lại rất bất thường và chưa từng xảy ra trong các chất siêu dẫn spin-singlet thông thường.

Cao nói: “Trong chất siêu dẫn spin-singlet, nếu bạn tiêu diệt chất siêu dẫn, nó sẽ không bao giờ quay trở lại – nó sẽ biến mất. “Ở đây, nó xuất hiện trở lại một lần nữa. Vì vậy, điều này chắc chắn nói rằng vật liệu này không phải là spin-singlet. “

Họ cũng quan sát thấy rằng sau khi “nhập lại”, tính siêu dẫn vẫn tồn tại lên đến 10 Tesla, cường độ trường tối đa mà nam châm của phòng thí nghiệm có thể tạo ra. Con số này cao hơn khoảng ba lần so với những gì mà chất siêu dẫn phải chịu được nếu nó là một spin-singlet thông thường, theo giới hạn của Pauli, một lý thuyết dự đoán từ trường tối đa mà tại đó vật liệu có thể giữ được tính siêu dẫn.

Trilayer graphene tái xuất hiện tính siêu dẫn, kết hợp với sự bền bỉ của nó ở từ trường cao hơn dự đoán, loại trừ khả năng vật liệu này là một chất siêu dẫn chạy trong nhà máy. Thay vào đó, nó có thể là một loại rất hiếm, có thể là bộ ba spin, chứa các cặp Cooper có tốc độ xuyên qua vật liệu, không thấm từ trường cao. Nhóm nghiên cứu có kế hoạch đi sâu vào vật liệu để xác nhận trạng thái quay chính xác của nó, điều này có thể giúp cung cấp thông tin về thiết kế của các máy MRI mạnh hơn và các máy tính lượng tử cũng mạnh mẽ hơn.

Jarillo-Herrero nói: “Máy tính lượng tử thông thường rất mỏng manh. “Bạn nhìn nó và, poof, nó biến mất. Khoảng 20 năm trước, các nhà lý thuyết đã đề xuất một loại siêu dẫn tôpô mà nếu được thực hiện trong bất kỳ vật liệu nào, có thể [enable] một máy tính lượng tử trong đó các trạng thái chịu trách nhiệm tính toán rất mạnh mẽ. Điều đó sẽ cung cấp thêm sức mạnh vô hạn để thực hiện tính toán. Thành phần quan trọng để nhận ra điều đó sẽ là chất siêu dẫn spin-ba, thuộc một loại nhất định. Chúng tôi không biết loại của chúng tôi có thuộc loại đó hay không. Nhưng ngay cả khi không, điều này có thể giúp dễ dàng đặt graphene tri lớp với các vật liệu khác để tạo ra loại siêu dẫn đó. Đó có thể là một bước đột phá lớn. Nhưng vẫn còn siêu sớm. ”

Tham khảo: “Vi phạm giới hạn Pauli và tái xuất hiện hiện tượng siêu dẫn trong moiré graphene” của Yuan Cao, Jeong Min Park, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi và Pablo Jarillo-Herrero, ngày 21 tháng 7 năm 2021, Thiên nhiên.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-y

Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Quỹ Khoa học Quốc gia, Quỹ Gordon và Betty Moore, Fundacion Ramon Areces, và Chương trình Vật liệu Lượng tử CIFAR.

Bạn cũng có thể thích

Menu