Supraleitende Materialien ähneln der Fahrgemeinschaft in einer überlasteten Interstate. Wie Pendler, die zusammen fahren, können Elektronen, die sich anpaaren, den regulären Verkehr umgehen und sich ohne Reibung durch das Material bewegen.
Aber genau wie bei Fahrgemeinschaften hängt die Fließung von Elektronenpaaren von einer Reihe von Bedingungen ab, einschließlich der Dichte der Paare, die sich durch das Material bewegen. Diese „Superfluid -Steifheit“ oder die Leichtigkeit, mit der ein Strom von Elektronenpaaren fließen kann, ist ein wichtiges Maß für die Supraleitung eines Materials.
Physiker an der MIT und der Harvard University haben inzwischen zum ersten Mal in „Magic-Angle“ Graphen die Superfluid-Steifheit gemessen-Materialien, die aus zwei oder mehr atomisch dünnen Graphen-Blättern hergestellt werden Aktivieren Sie eine Vielzahl außergewöhnlicher Eigenschaften, einschließlich unkonventioneller Supraleitung.
Diese Supraleitung macht Magic-Winkel-Graphen zu einem vielversprechenden Baustein für zukünftige Quantenkomputierungsgeräte, aber genau wie die materiellen Superkondukte sind nicht gut verstanden. Wenn Sie die Superfluid-Steifheit des Materials kennen, können Wissenschaftler den Mechanismus der Superkonformität in Magic-Winkel-Graphen identifizieren.
Die Messungen des Teams legen nahe, dass die Supraleitung von Magic-Angle Graphen hauptsächlich durch die Quantengeometrie bestimmt wird, die sich auf die konzeptionelle „Form“ von Quantenzuständen bezieht, die in einem bestimmten Material existieren können.
Die Ergebnisse, die im Journal gemeldet werden NaturRepräsentieren Sie das erste Mal, dass Wissenschaftler die Superfluid-Steifheit in einem zweidimensionalen Material direkt gemessen haben. Zu diesem Zweck entwickelte das Team eine neue experimentelle Methode, mit der nun ähnliche Messungen anderer zweidimensionaler supraleitender Materialien durchgeführt werden können.
„Es gibt eine ganze Familie von 2D-Superkonjägändern, die darauf warten, untersucht zu werden, und wir kratzen wirklich nur an der Oberfläche“, sagt Joel Wang, Co-Lead-Autor der Studie, ein Forschungswissenschaftler im MIT-Forschungslabor für Elektronik (RLE).
Zu den Co-Autoren der Studie aus dem Hauptlabor des MIT-Hauptcampus und Lincoln gehören Co-Lead-Autor und ehemaliger RLE Postdoc Miuko Tanaka, Thao Dinh, Daniel Rodan-Legrain, Sameia Zaman, Max Hays, Bharath Kannan, Aziza Almanacly, David Kim, Bethany Niedziel, Niedziel, Bethany Niedziel, Kyle Serniak, Mollie Schwartz, Jeffrey Grover, Terry Orlando, Simon Gustavsson, Pablo Jarillo-Herrero und William D. Oliver sowie Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi des National Instituts for Materials Science in Japan.
Magische Resonanz
Seit seiner Entdeckung im Jahr 2004 hat sich Graphen als Wundersubstanz erwiesen. Das Material ist effektiv ein einzelnes Atomdünnblatt Graphit, das aus einem präzisen Hühnerdrahtgitter von Kohlenstoffatomen besteht. Diese einfache Konfiguration kann eine Vielzahl von superlativen Eigenschaften in Bezug auf die Stärke, Haltbarkeit und die Fähigkeit von Graphene aufweisen, Strom und Wärme zu leisten.
Im Jahr 2018 stellte Jarillo-Herrero fest, dass die verdrehte Struktur-bekannt als Magic-Angle Twisted Doppelschicht-Graphen oder MATBG-völlig neu, wenn zwei Graphen-Blätter übereinander gestapelt sind, genau übereinander Eigenschaften, einschließlich Supraleitung, in denen sich Elektronen zusammenschließen, anstatt sich gegenseitig wie in alltäglichen Materialien zu deponieren. Diese sogenannten Cooper-Paare können eine Superfluid bilden, mit dem Potenzial, zu superkoneitet, was bedeutet, dass sie sich durch ein Material als mühelosen, reibungsfreier Strom bewegen können.
„Obwohl Cooper -Paare keinen Widerstand haben, müssen Sie in Form eines elektrischen Feldes einen gewissen Schieben auftragen, um den Strom zu bewegen“, erklärt Wang. „Die Superfluid -Steifheit bezieht sich darauf, wie einfach es ist, diese Partikel in Bewegung zu bringen, um die Supraleitung voranzutreiben.“
Heute können Wissenschaftler die Superfluid -Steifheit in supraleitenden Materialien durch Methoden messen . Wenn ein supraleitendes Material innerhalb eines Mikrowellenresonators platziert wird, kann es die Resonanzfrequenz des Geräts und insbesondere die „kinetische Induktivität“ um eine Menge ändern, die Wissenschaftler direkt auf die Superfluid -Steifheit des Materials beziehen können.
Bisher waren solche Ansätze jedoch nur mit großen, dicken Materialproben kompatibel. Das MIT -Team erkannte, dass zur Messung der Superfluid -Steifheit in atomar dünnen Materialien wie MATBG einen neuen Ansatz erfordern würde.
„Im Vergleich zu MATBG ist der typische Supraleiter, der unter Verwendung von Resonatoren untersucht wird, 10- bis 100 -mal dicker und größer in der Fläche“, sagt Wang. „Wir waren uns nicht sicher, ob ein so kleines Material überhaupt messbare Induktivität erzeugen würde.“
Ein erfasstes Signal
Die Herausforderung zur Messung der Superfluid -Steifheit in MATBG hat damit zu tun, das äußerst empfindliche Material so nahtlos wie möglich an der Oberfläche des Mikrowellenresonators zu befestigen.
„Um diese Arbeit zu machen, möchten Sie einen idealerweise verlustfreien – dh supraleitenden – Kontakt zwischen den beiden Materialien machen“, erklärt Wang. „Andernfalls wird das von Ihnen gesendete Mikrowellensignal verschlechtert oder springt nur zurück, anstatt in Ihr Zielmaterial zu gehen.“
Will Olivers Gruppe am MIT hat Techniken entwickelt, um extrem empfindliche, zweidimensionale Materialien genau zu verbinden, mit dem Ziel, neue Arten von Quantenbits für zukünftige Quantenkomputierungsgeräte zu bauen. Für ihre neue Studie haben Tanaka, Wang und ihre Kollegen diese Techniken angewendet, um eine winzige MATBG -Probe nahtlos mit dem Ende eines Aluminiummikrowellenresonators zu verbinden. Zu diesem Zweck verwendete die Gruppe zuerst herkömmliche Methoden, um MATBG zusammenzustellen, und stand dann die Struktur zwischen zwei isolierenden Schichten hexagonaler Bornitrid, um die Atomstruktur und Eigenschaften von MATBG aufrechtzuerhalten.
„Aluminium ist ein Material, das wir regelmäßig in unserer supraleitenden Quantum Computing -Forschung verwenden, beispielsweise Aluminiumresonatoren, um Aluminiumquantenbits (Qubits) vorzulesen“, erklärt Oliver. „Also, wir dachten, warum nicht den größten Teil des Resonators aus Aluminium machen, was für uns relativ einfach ist, und dann ein wenig MATBG zum Ende hinzufügen? Es stellte sich als eine gute Idee heraus.“
„Um die MATBG zu kontaktieren, ätzen wir es sehr scharf wie das Durchschneiden eines Kuchens mit einem sehr scharfen Messer“, sagt Wang. „Wir enthüllen eine Seite des frisch geschnittenen MATBG, auf den wir Aluminium-das gleiche Material wie der Resonator-, um einen guten Kontakt herzustellen und ein Aluminium-Blei zu bilden.“
Die Forscher verbanden dann die Aluminiumleitungen der MATBG -Struktur mit dem größeren Aluminium -Mikrowellenresonator. Sie schickten ein Mikrowellensignal durch den Resonator und messen die resultierende Verschiebung seiner Resonanzfrequenz, aus der sie die kinetische Induktivität des MATBG schließen konnten.
Als sie die gemessene Induktivität in einen Wert der Superfluid -Steifheit umgewandelt haben, stellten die Forscher jedoch fest, dass sie viel größer war als die konventionellen Theorien der Supraleitung. Sie hatten eine Vermutung, dass der Überschuss mit MATBGs Quantengeometrie zu tun hatte – der Art und Weise, wie die Quantenzustände von Elektronen miteinander korrelieren.
„Wir haben eine zehnfache Zunahme der Superfluid -Steifheit im Vergleich zu herkömmlichen Erwartungen gesehen, wobei eine Temperaturabhängigkeit mit der Theorie der Quantengeometrie übereinstimmt, die vorhersagt „, sagt Tanaka. Steifheit in diesem zweidimensionalen Material. „
„Diese Arbeit stellt ein großartiges Beispiel dafür dar, wie man hoch entwickelte Quantentechnologie verwenden kann, die derzeit in Quantenschaltungen verwendet werden, um kondensierte Materiesysteme zu untersuchen, die aus stark interagierenden Partikeln bestehen“, fügt Jarillo-Herrero hinzu.
Diese Forschung wurde zum Teil vom Forschungsbüro der US -Armee, der National Science Foundation, des Air Force Office of Scientific Research und dem Unterminister für Forschung und Ingenieurwesen finanziert.
Eine komplementäre Studie über Magic-Angle Twisted Trilayer Graphen (MATTG), die von einer Zusammenarbeit zwischen Philip Kims Gruppe an der Harvard University und der Gruppe von Jarillo-Herrero am MIT durchgeführt wird, erscheint in derselben Ausgabe von Natur.
