Eine neue Wendung und Geheimnisse der Supraleitung

Das plötzliche Auftreten eines Supraleiters schien ein Zufall zu sein, aber die neue Theorie und die zweite Entdeckung zeigten, dass neu auftretende Quasiteilchen hinter diesem Effekt stehen könnten.





Skyrmionen entstehen aus dem kollektiven Verhalten vieler Elektronen, verhalten sich aber wie einzelne Teilchen.



Seit drei Jahren spielen Elektronen Spiele für Physiker.



Das Spiel begann 2018, als das Labor von Pablo Jarillo-Herrero einen Fund aus einem Jahrzehnt ankündigte : Als Forscher eine Schicht Kohlenstoffatome übereinander stapelten, eine „magische“ Drehung von 1,1 Grad zwischen ihnen anwendeten und dann die Atomplatten abkühlten nahe dem absoluten Nullpunkt wurde die Probe dann zu einem idealen Elektronenleiter.



Wie verschworen sich die Partikel, um einwandfrei durch Graphenschichten zu gleiten? Das durch den Neigungswinkel erzeugte kaleidoskopische "Moiré" schien ein signifikantes Ergebnis zu sein, aber niemand war sich sicher. Um dies herauszufinden, fingen die Forscher an, jedes Material, das sie in die Hände bekommen konnten, zu falten und zu drehen.



Zuerst spielten die Elektronen mit. Eine Reihe von Experimenten hat gezeigt, dass bei vielen flachen Materialien niedrige Temperaturen einen starken Abfall des elektrischen Widerstands verursachen. Es schien, dass die Bedingungen für eine ideale Leitfähigkeit bereits besser verstanden wurden und daher der verführerische Schritt in Richtung der Revolution in der Elektronik nahe war.



"Es fühlte sich so an, als wäre Supraleitung einfach überall", sagte Matthew Yankowitz , Physiker für kondensierte Materie an der Universität von Washington, "egal welches System Sie betrachteten."



Aber die Elektronen "setzen plötzlich eine Maske falscher Bescheidenheit auf". Als die Forscher die Proben genauer untersuchten, verschwanden die Fälle von Supraleitung. Bei einigen Materialien fiel der Widerstand nicht auf Null ab. Es gab widersprüchliche Ergebnisse in den verschiedenen untersuchten Proben. Nur im ursprünglichen zweischichtigen Graphen bewegten sich Elektronen in den meisten Fällen tatsächlich ohne "Widerstand".



"Wir hatten einen ganzen Zoo mit verschiedenen verdrillten Materialien, und verdrilltes zweischichtiges Graphen war der einzige Supraleiter", sagte Jankowitz.



Dann, im letzten Monat in zwei Artikeln in den Zeitschriften "Nature" und "Science" veröffentlichtEs wurde ein weiterer Supraleiter beschrieben, ein dreischichtiges Graphen- "Sandwich" mit zwei gleichmäßigen äußeren "Brot" -Blättern und einem um 1,56 Grad gedrehten Füllblatt.

Die unverwechselbare Fähigkeit, Elektronen aus verdrilltem dreischichtigem Graphen zu übertragen, bestätigt, dass das Zwei-Platten-System kein Unfall war. "Es war das erste einer Familie von Moiré-Supraleitern", sagte Jarillo-Herrero, ein Physiker am Massachusetts Institute of Technology, der auch eines der neuen Experimente leitete, und dies ist das zweite Mitglied der Familie.





Samuel Velasco / Quanta Magazine; Quelle: Mit freundlicher Genehmigung von Pablo Jarillo-Herrero





Wichtig ist, dass dieses zweite „Geschwister“ Aufschluss über den zugrunde liegenden Mechanismus gab, der für die Supraleitung dieser Materialien verantwortlich sein könnte.



Einige Monate nach der Entdeckung von 2018 begann eine Gruppe von Theoretikern über den Mechanismus zu rätseln, der zweischichtiges Graphen zu einem Supraleiter machte. Sie vermuteten, dass ein bestimmtes geometrisches Merkmal es Elektronen ermöglichen könnte, in exotische Wirbel zu wirbeln, die sich auf völlig neue Weise verhalten. Dieser Mechanismus, der sich von keinem der (wenigen) bekannten supraleitenden Schaltkreise unterscheidet, könnte den Erfolg der zweischichtigen Graphen-Supraleitung sowie das Versagen anderer Materialien erklären. Er sagte auch voraus, dass der dreischichtige "Bruder" von Graphen auch ein Supraleiter sein würde.



Dies blieb jedoch nur eine Theorie, zumindest bis die Laboratorien sie testen konnten. "Nach dem, was wir jetzt wissen, scheint diese Richtung aufregend zu sein", sagte Eslam Khalaf , ein Forscher der Harvard University, der bei der Entwicklung des Modells mitgewirkt hat. "Es ist nicht jeden Tag, dass eine neue Art der Erzeugung von Supraleitung auftaucht."

Drei Wunder

In einer chaotischen Welt, in der Reibung im Überfluss vorhanden ist und Partikel niemals stationär bleiben, hat ein so perfektes Phänomen wie Supraleitung kein Existenzrecht. Unedle Metalle wie Quecksilber zeigen sich jedoch regelmäßig bei niedrigen Temperaturen, wie Heike Kamerling Onnes im frühen 20. Jahrhundert versehentlich entdeckte .



Das Geheimnis ist, dass nahezu absolute Nullschwingungen im Atomgitter eines Metalls freie Elektronen in Paare aufbrechen. Diese Paare interagieren auf eine Weise, dass einzelne Elektronen nicht interagieren können, und bilden ein einzelnes quantenmechanisches "Superfluid", das ohne eine einzige Kollision von Elektronen mit einem Atom (das Wärme und Widerstand erzeugt) durch das Material fließt. Die ursprüngliche Theorie der Supraleitung, die 1957 entwickelt wurde, beschrieb sie als einen hoch entwickelten elektronischen "Tanz", der von allen außer den idealsten Umgebungen gestört werden kann. "Es ist eine Art Wunder, dass sie sich überhaupt verbinden, weil sich Elektronen so sehr abstoßen", sagte Ashwin Vishwanath , ein theoretischer Physiker in Harvard.



1986 bemerkten die Forscher, dass Elektronen ein zweites Wunder vollbrachten, diesmal in einer Familie von Kupferverbindungen, die als Cuprate bekannt sind. Die Materialien könnten irgendwie die Supraleitung um zehn Grad über der Temperatur halten, die häufig gewöhnliche Elektronenpaare trennt. Es schien einen neuen Mechanismus zu geben, der wahrscheinlich hauptsächlich mit den Elektronen selbst und nicht mit ihrem atomaren Gerüst zusammenhängt.





Das Team von Ashwin Vishwanath hat einen Weg gefunden, die Supraleitung in Graphen durch Untersuchung seiner geometrischen Struktur zu verstehen. Mit freundlicher Genehmigung von Ashwin Vishwanath



Aber nach Jahrzehnten intensiven StudiumsDie Forscher sind sich immer noch nicht sicher, wie genau die Elektronen in Cupraten ihre supraleitenden Fähigkeiten steuern. Um das Verhalten elektronischer Konglomerate vorherzusagen, muss die rohe Kraft jedes Teilchens aufeinander berechnet werden - eine Berechnung, deren Komplexität mit zunehmender Anzahl von Elektronen exponentiell zunimmt. Um selbst das kleinste Teilchen eines Supraleiters zu verstehen, müssen Theoretiker das Verhalten der Billionen von Elektronen verstehen. Die aktuelle Simulation kann ungefähr ein Dutzend verarbeiten.



Die Experimentatoren sind derzeit nicht in der besten Position. Sie können neue Kristalle züchten, indem sie ein Atom gegen ein anderes austauschen und ihre Eigenschaften testen. Das Material zeigt jedoch nicht, was die Elektronen im Inneren tun. Und die Forscher wissen erst, wie sich das Material verhält, wenn sie es herstellen. "Niemand konnte sagen, dass ich dieses neue [Cuprat] herstellen würde", sagte Yankowitz, "und vorhersagen, wie [die Temperatur, bei der es ein Supraleiter wird] sein würde. Jetzt ist es eine schrecklich schwierige Aufgabe. "



Die einzigartigen Eigenschaften von verdrilltem zweischichtigem Graphen machten es transparenter als Cuprate. Anstatt eine völlig neue Substanz zu erzeugen, könnten Experimentatoren die Eigenschaften von Graphen mit nur einem elektrischen Feld ändern, was es nach Ansicht vieler Forscher zu einem "Spielplatz" für Supraleitung macht.



"Dies ist eine aufregende Herausforderung und ein bemerkenswertes Merkmal von verdrilltem zweischichtigem Graphen", sagte Subir Sachdev , Physiker für kondensierte Materie in Harvard. "Dies bietet eine ganze Reihe neuer Werkzeuge zur Untersuchung der Bewegung von Elektronen."



Er bot auch theoretische Anleitung an. In einem magischen Winkel von 1,1 Grad sind die Wabengitter von Graphen so verbunden, dass sich normalerweise schnelle Elektronen langsam bewegen - Physiker beschreiben dieses Material als "flache Streifen". Inerte Elektronen verbringen mehr Zeit miteinander, was ihnen die Möglichkeit gibt, sich zu organisieren.



Aber die Führung war vage. Elektronen in Materialien mit flachen Streifen können auf viele Arten kommunizieren, und die supraleitende Paarung ist nur eine davon. Die Forscher stapelten viele Atomplatten in magischen Winkeln, um die Streifen zu glätten, aber der supraleitende Blitz wollte nicht in der Flasche gefangen werden.



Ihnen schien etwas Wichtiges zu fehlen.

Wirbel-Skyrmionen

Im März 2018, kurz nach der Entdeckung der Supraleitung in verdrehtem Graphen, versuchten Vishwanath und seine Kollegen, den magischen Winkel zu entmystifizieren und zu verstehen, was Elektronen zusammenhalten könnte.



Es war unmöglich, eine Theorie zu schreiben, die die Bewegung rebellischer Elektronen in zweischichtigem Graphen vollständig widerspiegelt. Daher stellten sich Theoretiker zunächst Teilchen vor, die sich etwas besser verhielten. Sie betrachteten das hexagonale Graphengitter als zwei Untergitter von Dreiecken. Wenn sich Elektronen von Atom zu Atom bewegen, "springen" sie normalerweise zu einem Atom auf dem gegenüberliegenden Gitter. Manchmal springt ein Rebell zu einem Atom im selben Gitter.









Vishwanath und Company bestanden darauf, dass Elektronen immer das Gitter veränderten. Diese Wahl machte es mathematisch sauberer, das hexagonale Gitter in dreieckige zu unterteilen. Und in zweischichtigem Graphen mit seinen zwei Schichten wurde ein dunkles Merkmal entdeckt, das schließlich wichtig wurde: Die auf diese Weise eingeschlossenen Elektronen begannen sich zu bewegen, als ob sie unter dem Einfluss eines Magnetfelds standen. Insbesondere empfanden Elektronen in einem Untergitter anscheinend ein positives Magnetfeld, während Elektronen in dem anderen Untergitter ein negatives Magnetfeld fühlten. Die Theoretiker waren sich dessen nicht ganz bewusst, aber der Schlüssel zu einer neuen Theorie der Supraleitung lag direkt an der Oberfläche.



Als die Theorie angewendet wurde, um im August 2018 den magischen Winkel von 1,1 Grad zu erhalten In zweischichtigem Graphen begannen Vishwanath und Kollegen, die Anzahl der Graphenschichten aufzubauen. Die Theorie, die ursprünglich für zwei Schichten entwickelt wurde, ließ sich viel besser als erwartet auf die neuen Strukturen anwenden . Sie fanden heraus, dass sie den magischen Winkel für jeden aufeinanderfolgenden Graphenstapel unter Verwendung einfacher Beziehungen berechnen konnten, die für die zunehmende Komplexität massereicherer Systeme unerreichbar schienen.



"In der Physik der kondensierten Materie merkt man besonders, dass man etwas tut, das der physischen oder sogar praktischen Realität sehr nahe kommt, aber von Zeit zu Zeit sieht man diese idealste Welt, die sich dahinter verbirgt", sagte Vishwanath.



Als die Gruppe weitere Forschungen durchführte und der Theorie realistischere Details hinzufügte, entstand die Supraleitung, jedoch auf völlig neue Weise. Es ist möglich, dass nicht Elektronenpaare gebildet wurden, sondern Elektronenströme, die als Skyrmionen bekannt sind... Da zweischichtiges Graphen aus zwei Schichten besteht, hat es vier Untergitter, aber diese Untergitter mit der gleichen magnetischen Ladung wirken wie eine. Effektive Magnetfelder führen dazu, dass Elektronen, die Atome in einem Gitter besuchen, dazu neigen, die Oberfläche aufzurauen, während Elektronen in einem anderen Gitter dazu neigen, sie glatt zu machen. Diese Konfiguration kann Elektronen an Ort und Stelle fixieren, so dass sich das System wie ein Isolator verhält. (Interessanterweise legen Experimente mit Cupraten und verdrilltem zweischichtigem Graphen nahe, dass beide Materialien als Isolatoren wirken, kurz bevor sie zu Supraleitern werden.)



Wenn Sie jedoch das Gleichgewicht mit einer zusätzlichen Ladung stören, können die Elektronen auf jedem Untergitter ein kollektives Wirbelmuster annehmen - ein Skyrmion -, bei dem ein sich drehendes Elektron im Epizentrum eines Sturms aufrauht (oder glättet) und seine Nachbarn geglättet werden spiralförmig.









Obwohl Tausende von Elektronen in das Skyrmion von Graphen eintreten können, wirkt der Wirbel so, als wäre es ein Teilchen mit der Ladung eines Elektrons. Man könnte erwarten, dass sich negative Skyrmionen gegenseitig abstoßen, aber die quantenmechanischen Regeln, die regeln, wie Elektronen zwischen zwei Untergittern "springen", ziehen tatsächlich Skyrmionen auf gegenüberliegenden Gittern zusammen an. Mit anderen Worten, sie bilden Paare elektronenartiger Ladungen - eine Grundvoraussetzung für die Supraleitung.



Der Schlüssel zur Skyrmion-Geschichte ist die 180-Grad-Rotationssymmetrie, die den Elektronentransfer zwischen dreieckigen Untergittern bestimmt. Das Rechteck hat die gleiche Symmetrie. Sowohl das Sechseck als auch das rechteckige oder sechseckige Gitter haben es. Aber das Falten und Verdrehen von Blättern aus etwas anderem als Graphen bricht diese Reihenfolge. Schließlich konnten Viswanath und seine Kollegen erklären, warum der verdrehte Gitterzoo kein Supraleiter wurde.



"Es war der Moment, in dem alles zusammen kam", sagte Khalaf.

Theorie und Graphen

Jarillo-Herrero dachte bereits, dass etwas Gutes aus drei Schichten kommen kann. Elektronen in Materialien mit flachen Streifen bewegen sich langsam genug, damit die Partikel zusammenarbeiten können. Die Supraleitung kann jedoch durch "Dispergieren" von Streifen verbessert werden, durch die sich Dämpfe leichter bewegen. Für verdrilltes zweischichtiges Graphen ist das erstere charakteristisch. Die letzte Aussage ist typisch für einschichtiges Graphen. Wenn wir sie zusammenstellen, können wir das Beste aus beiden Welten erleben.



Dann kam die Vorhersage der Vishwanath-Gruppe, dass 1,5 Grad der magische Winkel für die Erzeugung supraleitender Skyrmionen in drei Graphenschichten ist.



Unter Berücksichtigung dieser Argumente das Labor von Jarillo-Herrero sowie das Labor von Philip KimIn Harvard begann man, dreischichtige Stapel von Graphenschichten herzustellen. Beide Labors sahen alles, was die Theoretiker vorausgesagt hatten und mehr.





Pablo Jarillo-Herrero





Labor Philip Kim Labor.

Fotoquelle: Bryce Wickmark; Eliza Grinnell / Harvard SEAS



Wenn zweischichtiges Graphen eine Plattform für Supraleitung ist, dann ist dreischichtiges Graphen ein echtes Fest und Fest. Experimentatoren können nicht nur die Anzahl der Elektronen in den Gittern fein einstellen, sondern auch Elektronen unter Verwendung eines zweiten elektrischen Feldes willkürlich zwischen Schichten bewegen. Mit dieser Flexibilität können Forscher nach supraleitenden Sweet Spots suchen, sodass Elektronen das Gefühl haben, sich durch ein Zweischichtsystem, ein Einschichtsystem oder eine beliebige Anzahl von Hybridsystemen zu bewegen.



Mit dieser beispiellosen Anpassungsfähigkeit haben Labore bestätigt, dass dreischichtiges Graphen im Gegensatz zu anderen verdrillten Materialien alle Supraleitungstests besteht. Sie fanden auch mehrere indirekte Hinweise darauf, dass Supraleitung auf ungewöhnliche Weise auftritt.



Erstens interagieren Elektronen sehr gut. In herkömmlichen Supraleitern, in denen Cluster von Atomen freie Elektronen paaren, verbindet sich nur 1 von 100.000 Elektronen mit dem supraleitenden Superfluid. Cuprate beinhalten ungefähr 1 von 30 freien Elektronen. Im Dreischichtsystem ist laut Forschern jedoch jede zehnte Person beteiligt.



Die Elemente in supraleitenden Paaren - ob Elektronen oder Skyrmionen - liegen ebenfalls ziemlich nahe beieinander. Die Enden der Elektronenpaare aus unterkühltem Aluminium haben den 10.000-fachen Abstand zwischen den Elektronen, was einer Suppe aus langen Spaghetti gleicht. Und in dreischichtigem Graphen bündeln sich supraleitende Paare wie Makkaroni, und die Elemente sind sowohl dem „Partner“ als auch den „Nachbarn“ gleichermaßen nahe.



Angesichts der Schwierigkeit, alles zu wissen, was in einem Material auf subatomarer Ebene geschieht, ist es noch zu früh zu sagen, dass Skyrmionen in mehrschichtigem Graphen Supraleitung bieten. Aber für Halaf konvergiert das seltsame Verhalten, das Jarillo-Herrero und Kim beobachteten, mit Elektronenwirbeln.



Im Gegensatz zu Standardelektronenpaaren verbinden sich Skyrmionpaare eng, um eine hocheffiziente Supraleitung zu erzeugen. Zusammengesetzte Objekte sind ebenfalls groß und eng beieinander.



Und in Standardmetallen führen Elektronen, die in einen Zustand fallen, der die Wahl aus einer Vielzahl möglicher Aktionen voraussetzt, zu einer starken Supraleitung. Als die Forscher den Elektronen in einem Dreischichtsystem diese Freiheit gaben, verschwand die Supraleitung. Laut Khalaf kann dies daran liegen, dass durch die größere Freiheit die Skyrmionen auseinanderfallen können.



"Ich glaube nicht, dass wir diesen Supraleiter definitiv als unkonventionell betrachten können", sagte Corey Dean., ein Physiker für kondensierte Materie von der Columbia University. Aber er fügte hinzu, dass die ungewöhnliche Reaktion auf die erhöhte Freiheit "definitiv in die entgegengesetzte Richtung weist".



Wenn die Rotationssymmetrie, die Vishwanath und seine Kollegen identifiziert haben, tatsächlich für die Supraleitung von mehrschichtigem Graphen entscheidend ist, könnten Materialwissenschaftler diese Tatsache eines Tages nutzen, um sich in einem Feld von vielen Milliarden möglicher Materialien zu orientieren und ein Gitter zu finden, das Elektronen zusammenhalten kann an einem warmen Tag.



Die Ladungen in verdrilltem Graphen sind zu dünn über riesige Moiré-Zellen verteilt, um bei hohen Temperaturen supraleitend zu sein, aber die Bindung, die sie zusammenhält - ob Skyrmionen oder was auch immer - scheint stark zu sein. Die Forscher hoffen, dass weitere Untersuchungen von verdrilltem Graphen und Theorien, die seine ungewöhnlichen Eigenschaften erklären, seine zuverlässige Supraleitung erklären und den Weg zu einem Gitter weisen, das mehr Wärme absorbieren kann.



"Wenn Sie den gleichen Effekt auf der Skala der Atome erzielen, wird dies wirklich zutreffen", sagte Sachdev. (Ich habe es weggelassen, zusammengefasst)