Anul trecut, oamenii de știință au demonstrat că grafenul cu două straturi răsucite - un material format din două foi de carbon subțiri cu atomi cu o ușoară răsucire - poate prezenta regiuni alternante supraconductoare și izolante. Acum, un nou studiu din revista Nature realizat de oameni de știință din Spania, SUA, China și Japonia arată că superconductivitatea poate fi activată sau dezactivată cu o mică modificare a tensiunii, sporindu-i utilitatea pentru dispozitivele electronice.

unghi

"Este un fel de graal sfânt al fizicii să creezi un material care are supraconductivitate la temperatura camerei", a spus fizicianul Allan MacDonald de la Universitatea Texas din Austin. „Așadar, aceasta face parte din motivația acestei lucrări: să înțelegem mai bine superconductivitatea la temperaturi ridicate.”

Descoperirea este un progres semnificativ într-un domeniu emergent numit Twistronics, ai cărui pionieri includ MacDonald și inginerul Emanuel Tutuc, tot de la Universitatea din Texas la Austin. Au fost necesari câțiva ani de muncă grea a cercetătorilor din întreaga lume pentru a transforma ideea inițială a lui MacDonald în materiale cu aceste proprietăți ciudate, dar a meritat să așteptăm.

Găsirea supraconductivității în locuri ciudate

În 2011, MacDonald, un fizician teoretic care folosește matematica cuantică și modelarea computerizată pentru a studia materialele bidimensionale, a făcut o descoperire neașteptată. Împreună cu Rafi Bistritzer, cercetător postdoctoral, el lucra la construirea unor modele simple, dar precise, despre cum se comportă electronii în materiale 2D stivuite - materiale cu un atom gros - atunci când un strat este ușor răsucit față de altele. MacDonald credea că problema aparent necomputabilă ar putea fi mult simplificată prin concentrarea asupra unui parametru cheie al sistemului.

Strategia utilizată de MacDonald și Bistritzer a fost implementată cu succes. Surpriza a venit mai târziu. Când și-au aplicat metoda graficului bistratat răsucit, un sistem format din două straturi de atomi de carbon, au descoperit că la un unghi foarte specific de aproximativ 1,1 grade - pe care l-au numit „unghiul magic” - electronii s-au comportat într-un mod ciudat și extraordinar., mișcându-se brusc de peste 100 de ori mai încet.

De ce a fost cazul și ce ar însemna pentru știință ar fi nevoie de ani de zile pentru a descoperi.

Pe termen scurt, constatarea a fost în mare parte ignorată sau respinsă. Rezultatul părea prea neobișnuit pentru a crede. Mai mult, nu era evident că crearea unui exemplu fizic al unui astfel de sistem, cu o așezare atât de precisă a foilor bidimensionale, era realizabilă fizic.

Dar nu toată lumea a fost incredibilă sau intimidată de rezultate. Câțiva experimentaliști din întreaga lume au luat act de predicția publicată în Proceedings of the National Academy of Sciences și au ales să urmărească „unghiul magic”. Când în 2018, pentru prima dată, fizicienii de la Massachusetts Institute of Technology au creat un sistem de grafen stratificat răsucit cu 1,1 grade, au descoperit, așa cum a prezis MacDonald, că prezintă proprietăți remarcabile - în special, supraconductivitate la o temperatură surprinzător de ridicată.

„Nu există o explicație simplă pentru care electronii încetinesc brusc”, a spus MacDonald. "Datorită lucrărilor recente ale teoreticienilor de la Harvard, există acum o explicație parțială legată de modelele deseori studiate în fizica elementară a particulelor. Dar există acum o întreagă lume a efectelor conexe în diferite materiale 2D stratificate. Grafenul cu două straturi răsucite este doar o privire într-o singură parte din el. "

Materialele supraconductoare nu au rezistență electrică, permițând electronilor să se deplaseze la nesfârșit fără a disipa energia. Acestea sunt utilizate în calculul cuantic și ar putea fi schimbătoare de jocuri pentru transmisia electrică dacă nu ar necesita o refrigerare costisitoare.

Descoperită pentru prima dată în 1911, superconductivitatea a fost documentată într-o serie de materiale. Cu toate acestea, toate necesită temperaturi extrem de scăzute pentru a-și menține caracteristicile distinctive. Apariția materialelor 2D stivuite poate schimba acest lucru.

Descoperirea supraconductivității în grafenul cu două straturi răsucite a furnizat de atunci combustibil pentru un subcamp înfloritor cu un nume atrăgător - Twistronics - și o grabă pentru dezvoltarea tehnologiei în continuare.

Un deceniu de studiu dedicat

Încă de la descoperirea grafenului de către Andre Geim și Konstantin Novoselov la Universitatea din Manchester în 2004 (care a dus în cele din urmă la un Premiu Nobel pentru fizică în 2010), MacDonald a fost fascinat de aceste ciudate sisteme bidimensionale și de noua fizică pe care o au poate conține.

A început să studieze materialul aproape imediat și, din 2004, a folosit supercalculatoare la Texas Advanced Computing Center (TACC) pentru a explora structura electronică a grafenului și a altor materiale 2D.

„Lucrarea mea se referă la prezicerea unor fenomene neobișnuite care nu au fost văzute până acum sau la încercarea de a înțelege fenomene care nu sunt bine înțelese”, a spus MacDonald. „Mă atrage o teorie care se conectează direct la lucrurile care se întâmplă de fapt și mă interesează puterea matematicii și a teoriei de a descrie lumea reală”.

Proprietățile ciudate ale materialelor 2D stratificate par să se raporteze la interacțiuni, care devin mult mai importante atunci când electronii încetinesc, inducând corelații puternice între electroni individuali. De regulă, electronii circulă aproape separat în jurul nucleului în orbitalele atomice, stabilindu-se în stări cuantice cu cele mai mici energii disponibile. Acest lucru nu pare să fie cazul în grafenul cu unghi magic.

„Practic, nimic foarte interesant nu se poate întâmpla atunci când electronii se organizează așa cum fac ei într-un atom, ocupând orbitalii cu cea mai mică energie”, a spus MacDonald. „Dar odată ce soarta lor este determinată de interacțiunile dintre electroni, atunci se pot întâmpla lucruri interesante”.

Cum se studiază ceea ce se întâmplă în sistemele 2D stratificate - cunoscute, din punct de vedere tehnic, ca heterostructuri van der Waals? „Vederea” electronilor în mișcare este aproape imposibilă. Măsurătorile oferă indicii, dar rezultatele sunt oblice și frecvent contraintuitive. Modelele de computer, consideră MacDonald, pot contribui la adăugarea imaginii emergente a electronilor confinați.

Modelele de computer care reprezintă structura electronică clasică sunt bine dezvoltate și extrem de precise în majoritatea cazurilor, dar trebuie ajustate în fața fizicii ciudate a heterojuncțiilor.

Modificarea acestor factori înseamnă rescrierea modelului predominant pentru a reflecta comportamentul electronilor care interacționează puternic, o sarcină la care MacDonald și cercetătorii din laboratorul său lucrează în prezent, folosind supercomputerul Stampede2 de la TACC - unul dintre cele mai puternice din lume - pentru a testa modele și a rula simulări. Mai mult, un număr din ce în ce mai mare de electroni trebuie inclus pentru a reproduce cu exactitate rezultatele care apar din laboratoarele din întreaga lume.

„Sistemul real are miliarde de electroni”, a explicat MacDonald. „Pe măsură ce creșteți numărul de electroni, depășiți rapid capacitatea oricărui computer. Deci, una dintre abordările pe care le folosim, în lucrarea condusă de Pawel Potasz - un vizitator din Polonia - este să rezolvăm problema electronică pentru numerele mici de electroni și extrapolează comportamentul la un număr mare. "

Aplicarea teoriei la sisteme nemaivăzute

În timp ce lucrează pentru reproiectarea modelelor de structuri electronice și pentru a le scala la un număr din ce în ce mai mare de electroni, MacDonald găsește încă timp pentru a colabora cu grupuri experimentale din întreaga lume, adăugând ideile sale teoretice și computaționale la descoperirile lor.

Ani de zile după descoperirea unghiului magic, dificultățile practice în crearea unor forme pure de materiale 2D stratificate cu unghiuri precise de rotație au limitat câmpul. Dar în 2016, un alt cercetător UT, Emanuel Tutuc, și studentul său absolvent, Kyounghwan Kim, au dezvoltat o metodă fiabilă pentru crearea unor astfel de sisteme, nu numai folosind grafen, ci dintr-un număr de materiale 2D diferite.

„Descoperirea a fost într-adevăr o tehnică pe care a introdus-o elevul meu, care constă în luarea unui strat mare, împărțirea acestuia în două și luarea unui segment și punerea acestuia deasupra celuilalt”, a spus Tutuc.

Motivul care nu a fost implementat până acum este că este foarte dificil să ridici o bucată de material mic cu dimensiunea unui micron. Kim a inventat un mâner lipicios, emisferic, care poate ridica un fulg individual, lăsând tot restul în proximitatea sa intact.

„Odată ce s-a făcut, posibilitățile au devenit nesfârșite”, a continuat el. „Nu după mult timp, același student a spus:„ OK, acum că le putem alinia cu o precizie foarte ridicată, să mergem mai departe și să le răsucim ”. Deci acesta a fost următorul pas ".

În ultimii ani, MacDonald și echipa sa au explorat stive de trei, patru sau cinci straturi de grafen, precum și alte materiale promițătoare, în special calcogenide ale metalelor de tranziție, căutând fenomene neobișnuite - și potențial utile -.

Scriind în natură în februarie 2019, MacDonald, Tutuc, fizicianul UT Austin Elaine Li și o echipă internațională numeroasă au descris observarea excităților indirecți într-un heterobil strat diselenidă de molibden/diselenidă de tungsten (MoSe2/WSe2) cu un unghi mic de răsucire.

Excitonii sunt cvasiparticule care constau dintr-un electron și o gaură care se atrag și se țin reciproc pe loc. Acestea există de obicei într-un singur strat. Cu toate acestea, cu anumite materiale 2D, este posibil ca acestea să existe pe diferite straturi, ceea ce mărește foarte mult durata de timp în care există. Acest lucru poate permite superfluiditatea, fluxul neîmpiedicat de lichide - o proprietate văzută anterior doar în heliu lichid.

Acum, MacDonald și o echipă din Spania, China și Japonia au publicat un studiu în Nature of magic angle graphene care a arătat că materialul poate prezenta faze alternante supraconductoare și izolante care pot fi pornite sau oprite cu o mică modificare a tensiunii, similar cu tensiunile utilizat în circuite integrate, sporindu-i utilitatea pentru dispozitivele electronice. Pentru a obține acest rezultat, membrii echipei de la Institutul Catalan pentru Fizică Optică au produs superrețele de grafen cu răsuciri mai uniforme decât era posibil anterior. Făcând acest lucru, au descoperit că modelul stărilor izolante și supraconductoare intercalate este chiar mai complicat decât s-a prezis.

Supercomputerele TACC sunt un instrument critic în cercetarea lui MacDonald și au fost utilizate pentru modelarea teoretică a datelor din recentul document Nature.

„Multe dintre lucrurile pe care le facem nu le-am putea face fără un computer performant”, a afirmat el. "Începem să rulăm pe un desktop și apoi ne împiedicăm rapid. Deci, foarte des, utilizarea unui supercomputer este diferența dintre a putea obține un răspuns satisfăcător și a nu putea obține un răspuns satisfăcător."

Deși rezultatele experimentelor de calcul pot părea mai puțin imediate sau „reale” decât cele dintr-un laborator, așa cum a arătat MacDonald, rezultatele pot expune noi căi de explorare și pot ajuta la iluminarea misterelor universului.

"Lucrul care mi-a energizat munca este că natura pune mereu probleme noi. Și atunci când pui un nou tip de întrebare, nu știi dinainte care este răspunsul", a spus MacDonald. „Cercetarea este o aventură, o aventură comunitară, o plimbare colectivă aleatorie, prin care cunoașterea avansează.”