Grafena tiga lapis dengan “sudut ajaib” bisa menjadi superkonduktor langka yang aman secara magnetis

Fisikawan MIT telah mengamati tanda-tanda jenis superkonduktivitas yang langka dalam bahan yang dikenal sebagai graphene tiga lapis yang dipelintir ajaib. Dalam sebuah penelitian yang dilakukan di. muncul alam, para peneliti melaporkan bahwa bahan tersebut menunjukkan superkonduktivitas pada medan magnet yang sangat tinggi hingga 10 Tesla, yang tiga kali lebih tinggi dari apa yang diprediksi bahan untuk superkonduktor konvensional.

Hasilnya sangat menyarankan bahwa grafik sudut ajaib tiga lapis, awalnya ditemukan oleh kelompok yang sama, adalah jenis superkonduktor yang sangat langka yang dikenal sebagai “spin triplet” yang tidak peka terhadap medan magnet yang kuat. Superkonduktor eksotis semacam itu bisa berupa teknologi seperti Resonansi magnetis Pencitraan menunjukkan kabel superkonduktor di bawah a. bekas Medan gaya beresonansi dengan dan memetakan jaringan biologis. Mesin MRI saat ini terbatas pada medan magnet 1 hingga 3 Tesla. Jika mereka dapat dibangun dengan superkonduktor spin triplet, MRI dapat beroperasi di bawah medan magnet yang lebih tinggi untuk menghasilkan gambar tubuh manusia yang lebih tajam dan lebih dalam.

Bukti baru superkonduktivitas spin triplet dalam graphene tiga lapis juga dapat membantu para ilmuwan mengembangkan superkonduktor yang lebih kuat untuk komputasi kuantum praktis.

“Nilai dari eksperimen ini terletak pada apa yang diajarkannya tentang superkonduktivitas dasar, bagaimana bahan dapat berperilaku, sehingga kami dapat menggunakan pengetahuan yang kami peroleh untuk mencoba mengembangkan prinsip untuk bahan lain yang akan lebih mudah dibuat dan mungkin memberi Anda lebih baik. hasilnya bisa superkonduktivitas,” kata Pablo Jarillo-Herrero, Cecil dan Profesor Fisika Ida Green di MIT.

Rekan penulisnya dalam pekerjaan tersebut termasuk postdoc Yuan Cao dan mahasiswa PhD Jeong Min Park di MIT, serta Kenji Watanabe dan Takashi Taniguchi dari Institut Nasional untuk Ilmu Material di Jepang.

Pergeseran aneh

Bahan superkonduktor dicirikan oleh kemampuannya yang super efisien untuk menghantarkan listrik tanpa kehilangan energi. Elektron dalam pasangan superkonduktor dengan arus listrik membentuk “pasangan Cooper”, yang kemudian berjalan melalui material tanpa hambatan, seperti penumpang di kereta ekspres.

Pada kebanyakan superkonduktor, pasangan penumpang ini memiliki putaran yang berlawanan, dengan satu elektron berputar ke atas dan yang lainnya berputar ke bawah – konfigurasi yang dikenal sebagai “spin singlet”. Pasangan ini dengan senang hati berpacu melalui superkonduktor kecuali di bawah medan magnet kuat yang dapat menggeser energi setiap elektron ke arah yang berlawanan dan menarik pasangan itu terpisah. Dengan cara ini dan melalui mekanisme, medan magnet yang tinggi dapat menggagalkan superkonduktivitas dalam superkonduktor singlet spin konvensional.

“Itulah alasan utama mengapa superkonduktivitas menghilang dalam medan magnet yang cukup besar,” kata Park.

Tetapi ada beberapa superkonduktor eksotis yang tidak peka terhadap medan magnet hingga kekuatan yang sangat besar. Bahan-bahan ini superkonduktor oleh pasangan elektron dengan putaran yang sama – properti yang dikenal sebagai “spin triplet”. Dalam kasus medan magnet tinggi, energi kedua elektron dalam pasangan Cooper bergeser ke arah yang sama, sehingga mereka tidak ditarik terpisah, melainkan mentransmisikan superkonduktor tanpa gangguan terlepas dari kekuatan medan magnet.

Kelompok Jarillo-Herrero penasaran untuk melihat apakah graphene tiga lapis sudut ajaib mungkin menunjukkan tanda-tanda superkonduktivitas triplet spin yang lebih tidak biasa ini. Tim memelopori studi struktur graphene moiré – lapisan kisi karbon setipis atom yang, ketika ditumpuk pada sudut tertentu, dapat menyebabkan perilaku elektronik yang mengejutkan.

Para peneliti pertama kali melaporkan sifat aneh seperti itu dalam dua lapisan graphene bersudut, yang mereka sebut sebagai graphene bilayer sudut ajaib. Mereka segera mengikutinya dengan tes pada graphene tiga lapis, konfigurasi sandwich dari tiga lapis graphene yang ternyata lebih kuat daripada rekan dua lapisnya dan mempertahankan superkonduktivitas pada suhu yang lebih tinggi. Ketika para peneliti menerapkan medan magnet sederhana, mereka menemukan bahwa graphene tiga lapis adalah superkonduktor pada kekuatan medan yang akan menghancurkan superkonduktivitas dalam graphene dua lapis.

“Kami pikir itu sesuatu yang sangat aneh,” kata Jarillo-Herrero.

Kembalinya super

Dalam studi baru mereka, fisikawan menguji superkonduktivitas graphene tiga lapis di bawah medan magnet yang semakin tinggi. Mereka membuat material dengan mengupas lapisan karbon setipis atom dari blok grafit, menumpuk tiga lapisan di atas satu sama lain, dan memutar lapisan tengah 1,56 derajat dari lapisan luar. Mereka menempelkan elektroda ke kedua ujung material untuk melewatkan arus dan mengukur energi yang hilang dalam proses tersebut. Kemudian mereka menyalakan magnet besar di laboratorium, yang bidangnya sejajar dengan materi.

Ketika mereka meningkatkan medan magnet dengan graphene tiga lapis, mereka mengamati bahwa superkonduktivitas tetap kuat sampai titik tertentu sebelum menghilang, tetapi kemudian, anehnya, muncul kembali pada kekuatan medan yang lebih tinggi – sebuah comeback yang sangat tidak biasa dan dengan superkonduktor singlet spin konvensional. Tidak diketahui.

“Jika Anda menghancurkan superkonduktivitas dalam superkonduktor spin singlet, itu tidak akan pernah kembali – itu hilang selamanya,” kata Cao. “Di sini muncul kembali. Jadi yang pasti mengatakan bahan ini bukan singlet spin.”

Mereka juga mengamati bahwa setelah “masuk kembali”, superkonduktivitas bertahan hingga 10 Tesla, kekuatan medan maksimum yang dapat dihasilkan magnet laboratorium. Ini kira-kira tiga kali lipat dari apa yang superkonduktor harus tahan jika itu adalah singlet spin konvensional, menurut batas Pauli, sebuah teori yang memprediksi medan magnet maksimum di mana suatu material dapat mempertahankan superkonduktivitas.

Tiga shift GrafikBerulangnya superkonduktivitas, ditambah dengan kegigihannya pada medan magnet yang lebih tinggi dari yang diperkirakan, mengesampingkan kemungkinan bahwa material tersebut adalah superkonduktor biasa. Sebaliknya, kemungkinan jenis yang sangat langka, mungkin triplet spin, yang menampung pasangan Cooper yang berlomba melalui materi dan tidak peka terhadapnya medan magnet tinggi. Tim berencana untuk mempelajari materi untuk mengkonfirmasi keadaan putaran yang tepat, yang dapat membantu membantu desain perangkat MRI yang lebih kuat, serta komputer kuantum yang lebih kuat.

“Komputasi kuantum biasa sangat rapuh,” kata Jarillo-Herrero. “Jika Anda melihatnya, itu menghilang, Fiuh. Sekitar 20 tahun yang lalu para ahli teori mengusulkan jenis superkonduktivitas topologi yang, jika diwujudkan dalam materi apa pun … [enable] komputer kuantum di mana negara bagian yang bertanggung jawab untuk perhitungan sangat kuat. Itu akan memberikan daya komputasi yang jauh lebih banyak. Bahan utama dalam mengenali ini adalah spin triplet Superkonduktor, dari jenis tertentu Kami tidak tahu apakah jenis kami adalah jenis itu. Tetapi bahkan jika tidak, mungkin lebih mudah untuk menempatkan grafik tiga lapis dengan bahan lain untuk membuat semacam ini Superkonduktivitas. Itu bisa menjadi terobosan besar. Tapi ini masih sangat pagi.”