Twisted Physics: Przełom w nadprzewodnictwie kwazikrystalicznym w MIT

Nowa elastyczna platforma może stworzyć tajemnicze materiały i doprowadzić do nowych badań dziwnych zjawisk.

W badaniach, które mogą wzbudzić zainteresowanie tajemniczą klasą materiałów zwanych kwazikryształami, Instytut Technologii w Massachusetts Naukowcy i współpracownicy odkryli stosunkowo prosty i elastyczny sposób tworzenia nowych, atomowo cienkich wersji, które można dostroić tak, aby pasowały do ​​interesujących nas zjawisk. W pracy opublikowanej w najnowszym numerze czasopisma Naturaopisują, że należy to zrobić, aby materiał wykazywał nadprzewodnictwo i nie tylko.

Badania zapewniają nową platformę nie tylko do zdobycia większej wiedzy o kwazikryształach, ale także do badania egzotycznych zjawisk, które mogą być trudne do zbadania, ale mogą prowadzić do ważnych zastosowań i nowej fizyki. Na przykład lepsze zrozumienie nadprzewodnictwa, podczas którego elektrony przechodzą przez materiał bez oporu, mogłoby pozwolić na stworzenie bardziej wydajnych urządzeń elektronicznych.

Obraz kwazikryształu mory (środkowa kolumna) utworzonego przez trzy nakładające się arkusze atomowo cienkiego grafenu. Źródło: Sergio C. De la Barrera/Uniwersytet w Toronto

Twistronika i jej związek z kwazikryształami

Praca ta łączy dwie wcześniej niepowiązane ze sobą dziedziny: kwazikryształy i elektronikę skręconą. Ta ostatnia jest specjalnością Pabla Jarillo Herrero, profesora fizyki Cecila i Idy Greenów na MIT i korespondenta autora nowej książki Natura Przełom w dziedzinie grafenu pod „magicznym kątem” w 2018 r. katapultował tę dziedzinę.

„To naprawdę niezwykłe, że dziedzina elektroniki chiralnej w dalszym ciągu nawiązuje nieoczekiwane powiązania z innymi dziedzinami fizyki i chemii, w tym przypadku z pięknym i dziwnym światem kryształów kwaperiodycznych” – mówi Jarillo-Herrero, który jest również powiązany z Działem Badań nad Materiałami MIT Laboratorium i MIT.”. Laboratorium badawcze MIT ds. elektroniki.

Godne uwagi zmiany w Twistronics

Technologia Twistronics obejmuje cienkie warstwy materiałów ułożone jedna na drugiej. Obracanie lub skręcenie jednej lub więcej warstw pod niewielkim kątem tworzy unikalny wzór zwany super siatką mory. Z kolei wzór mory ma wpływ na zachowanie elektronów. Sergio C mówi: „Zmienia spektrum poziomów energii dostępnych dla elektronów i może zapewnić warunki do pojawienia się interesujących zjawisk” – powiedział de la Barrera, jeden z czterech współautorów niedawnego badania. De la Barrera, który prowadził tę pracę w ramach postdocu na MIT, jest obecnie adiunktem na Uniwersytecie w Toronto.

Aviram Uri (po lewej) i Sergio C. De la Barrera są częścią zespołu, który wyodrębnił nadprzewodnictwo z mało znanej klasy materiałów zwanych kwazikryształami. Uri jest badaczem Pappalardo i doktorem w dziedzinie podatku VAT na MIT; De la Barrera jest adiunktem na Uniwersytecie w Toronto. Źródło: Eva Cheung/Uniwersytet w Toronto

System mory można również zaprojektować pod kątem różnych zachowań, zmieniając liczbę elektronów dodanych do systemu. W rezultacie w ciągu ostatnich pięciu lat dziedzina elektroniki chiralnej doświadczyła ogromnego rozwoju, a naukowcy na całym świecie zastosowali ją do tworzenia nowych atomowo cienkich materiałów kwantowych. Przykłady z samego MIT obejmują:

• Przekształcanie materiału mory znanego jako dwuwarstwowa skręcona pod magicznym kątem Grafen na trzy różne i przydatne urządzenia elektroniczne. (Wśród naukowców zaangażowanych w tę pracę, o której doniesiono w 2021 r., był Daniel Rodin-Legren, współpierwszy autor bieżącej pracy i badacz z tytułem doktora w dziedzinie fizyki na MIT. Kierował nimi Jarilo Herrero).
• Inżynieria nowej właściwości, fotowoltaiki, w dobrze znaną rodzinę Półprzewodniki. (Naukowcy zaangażowani w tę pracę, Zgłoszone w 2021 rprowadzony przez Jarillo Herrero.)
• Przewidywanie nowych i dziwnych zjawisk magnetycznych wraz z „przepisem” na ich osiągnięcie. (Naukowcy zaangażowani w tę pracę, Zgłoszone w 2023 r, w tym profesor fizyki z MIT Liang Fu i Nisarja Paul, absolwentka fizyki MIT. Zarówno Fu, jak i Paul są współautorami tego artykułu.)

Odsłonięcie kwazikryształów

W bieżących pracach naukowcy majstrowali przy systemie mory składającym się z trzech arkuszy grafenu. Grafen składa się z pojedynczej warstwy atomów węgla ułożonych w sześciokątne kształty przypominające strukturę plastra miodu. W tym przypadku zespół nałożył na siebie trzy warstwy grafenu, ale skręcił dwa arkusze pod nieco różnymi kątami.

Ku ich zaskoczeniu system stworzył coś, co wyglądało jak kryształ – niezwykłą klasę materiału odkrytą w latach 80. XX wieku. Jak sama nazwa wskazuje, kwazikryształy plasują się gdzieś pomiędzy kryształem, takim jak diament, który ma regularnie powtarzającą się strukturę, a materiałem amorficznym, takim jak szkło, „w którym wszystkie atomy są pomieszane lub rozmieszczone losowo” – mówi de la Barrera. Krótko mówiąc, de la Barrera mówi, że kwazikryształy „mają naprawdę dziwne wzory” (zobacz kilka przykładów Tutaj).

Jednak w porównaniu z kryształami i materiałami amorficznymi stosunkowo niewiele wiadomo o kwazikryształach. Dzieje się tak częściowo dlatego, że są trudne w wykonaniu. „To nie znaczy, że nie jest interesujący; oznacza to, że nie poświęciliśmy mu zbyt wiele uwagi, szczególnie jego właściwościom elektronicznym” – mówi de la Barrera. Nowa, stosunkowo prosta platforma może to zmienić.

Więcej spostrzeżeń i współpracy

Ponieważ pierwotni badacze nie byli ekspertami w dziedzinie kwazikryształów, skontaktowali się z jedną osobą: profesorem Ronem Lifshitzem z Uniwersytetu w Tel Awiwie. Aviram Uri, jeden z pierwszych autorów artykułu oraz doktorant Pappalardo i Vatat MIT, był studentem Lifshitza podczas studiów licencjackich w Tel Awiwie i był świadomy jego prac nad kwazikryształami. Lifshitz, który jest także autorem Natura Artykuł pomógł zespołowi lepiej zrozumieć, na co patrzą, co nazywają morą kwazikrystaliczną.

Następnie fizycy dostroili kwazikryształ mory, tak aby stał się nadprzewodnikiem, czyli przewodził prąd bez żadnego oporu poniżej pewnej niskiej temperatury. Jest to ważne, ponieważ urządzenia nadprzewodzące mogą przesyłać prąd przez urządzenia elektroniczne znacznie efektywniej niż jest to obecnie możliwe, jednak zjawisko to wciąż nie we wszystkich przypadkach jest w pełni poznane. Nowy system kwazikrystaliczny z tektury falistej zapewnia nowy sposób jego badania.

Zespół znalazł także dowody na łamanie symetrii, kolejne zjawisko, które „mówi nam, że elektrony bardzo silnie oddziałują ze sobą”. „Jako fizycy kwantowi i materiałoznawcy chcemy, aby nasze elektrony wchodziły ze sobą w interakcje, ponieważ tam właśnie zachodzi egzotyczna fizyka” – mówi de la Barrera.

Ostatecznie „dzięki dyskusjom międzykontynentalnym udało nam się to rozszyfrować i teraz uważamy, że mamy dobrą kontrolę nad tym, co się dzieje” – mówi Urey, choć zauważa, że ​​„nie rozumiemy jeszcze w pełni systemu .” . Jest jeszcze sporo tajemnic.”

Według de la Barrery najlepszą częścią badań było „rozwiązanie zagadki tego, co faktycznie zrobiliśmy”. „Spodziewaliśmy się [something else]Więc to była bardzo miła niespodzianka, gdy zdaliśmy sobie sprawę, że tak naprawdę patrzymy na coś zupełnie nowego i innego.

„Dla mnie to ta sama odpowiedź” – mówi Urey.

Odniesienie: „Nadprzewodnictwo i silne oddziaływania w przestrajalnym kwazikrysztale mory”: Aviram Uri, Sergio C. de la Barrera i Malika T. Randrea, Daniel Rodin-Legren, Trip Devakul, Philip J.D. Crowley, Nisarja Paul, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ron Lifshitz, Liang Fu, Raymond C. Ashuri, Pablo Jarillo Herrero, 19 lipca 2023 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06294-z

Dodatkowi autorzy dla Natura Artykuł został napisany przez profesora fizyki z MIT Raymonda C. Ashouri; Malika T. Randrea, badaczka w MIT Lincoln Laboratory, która przeprowadziła prace jako stypendysta Pappalardo w MIT i jest współpierwszą autorką tej pracy; Trithip Devakul, adiunkt na Uniwersytecie Stanforda, który prowadził prace jako pracownik naukowy ze stopniem doktora na MIT; Philip J.D. Crowley, pracownik naukowy ze stopniem doktora na Uniwersytecie Harvarda; oraz Kenji Watanabe i Takashi Taniguchi z Narodowego Instytutu Nauki o Materiałach w Japonii.

Praca ta została sfinansowana przez Biuro Badań Armii Stanów Zjednoczonych, Narodową Fundację Nauki USA, Fundację Gordona i Betty Moore, stypendium MIT Pappalardo Fellowship, stypendium VATAT Distinguished Postdoctoral Fellowship in Quantum Science and Technology, JSPS KAKENHI oraz Izraelską Fundację Naukową.