Twisted Physics: doorbraak van quasi-kristallijne supergeleiding bij MIT

Een nieuw flexibel platform zou mysterieuze materialen kunnen creëren en tot nieuwe studies van vreemde verschijnselen kunnen leiden.

In onderzoek dat mogelijk interesse wekt in een mysterieuze klasse materialen die bekend staat als quasikristallen, Massachusetts Institute of Technology Wetenschappers en collega’s hebben een relatief eenvoudige en flexibele manier ontdekt om nieuwe, atomair dunne versies te creëren die kunnen worden afgestemd op interessante verschijnselen. In het werk gerapporteerd in het laatste nummer van het tijdschrift natuurze beschrijven dat ze precies dat doen om het materiaal supergeleiding te laten vertonen en meer.

Het onderzoek biedt niet alleen een nieuw platform om meer te leren over quasikristallen, maar ook om exotische verschijnselen te onderzoeken die misschien moeilijk te bestuderen zijn, maar die tot belangrijke toepassingen en nieuwe natuurkunde kunnen leiden. Een beter begrip van supergeleiding, waarbij elektronen zonder weerstand door een materiaal gaan, zou bijvoorbeeld efficiëntere elektronische apparaten mogelijk kunnen maken.

Afbeelding van een moiré-quasikristal (middelste kolom) gecreëerd door drie overlappende lagen atomair dun grafeen. Krediet: Sergio C. De la Barrera/Universiteit van Toronto

Twisttronics en de associatie ervan met quasikristallen

Dit werk brengt twee voorheen niet-verbonden velden samen: quasi-kristallen en gedraaide elektronica. Dit laatste is de specialiteit van Pablo Jarillo Herrero, de Cecil en Ida Green hoogleraar natuurkunde aan het MIT en corresponderend auteur van het nieuwe boek natuur De doorbraak van grafeen onder een ‘magische hoek’ in 2018 katapulteerde het veld.

“Het is werkelijk buitengewoon dat het vakgebied van de chirale elektronica onverwachte verbindingen blijft leggen met andere gebieden van de natuur- en scheikunde, in dit geval de prachtige en vreemde wereld van quasperiodieke kristallen”, zegt Jarillo-Herrero, tevens verbonden aan MIT’s Materials Research Laboratorium en MIT. “. MIT Onderzoekslaboratorium voor Elektronica.

Opmerkelijke ontwikkelingen in Twisttronics

De technologie van Twisttronics bestaat uit dunne lagen materiaal die over elkaar heen worden gelegd. Door een of meer van de lagen onder een kleine hoek te draaien of te draaien, ontstaat een uniek patroon dat supermoiré-mesh wordt genoemd. Het moirépatroon heeft op zijn beurt invloed op het gedrag van elektronen. Sergio C zegt: “Het verandert het spectrum van de energieniveaus die beschikbaar zijn voor elektronen en zou de voorwaarden kunnen scheppen voor het ontstaan ​​van interessante verschijnselen”, zegt de la Barrera, een van de vier co-auteurs van de recente studie. De la Barrera, die dit werk als postdoc aan het MIT uitvoerde, is nu assistent-professor aan de Universiteit van Toronto.

Aviram Uri (links) en Sergio C. De de la Barrera maken deel uit van een team dat supergeleiding heeft geëxtraheerd uit een obscure klasse materialen die bekend staat als quasi-kristallen. Uri is een Pappalardo en postdoctoraal onderzoeker in BTW bij MIT; De la Barrera is assistent-professor aan de Universiteit van Toronto. Krediet: Eva Cheung/Universiteit van Toronto

Een moirésysteem kan ook worden ontworpen voor ander gedrag door het aantal elektronen dat aan het systeem wordt toegevoegd te variëren. Als gevolg hiervan heeft het vakgebied van de chirale elektronica de afgelopen vijf jaar een enorme ontwikkeling doorgemaakt, waarbij onderzoekers over de hele wereld het hebben toegepast om nieuwe atomair dunne kwantummaterialen te creëren. Voorbeelden van alleen al MIT zijn onder meer:

• Het omzetten van een moiré-materiaal dat bekend staat als een magische hoek-gedraaide dubbellaag Grafeen in drie verschillende en nuttige elektronische apparaten. (Onder de wetenschappers die betrokken waren bij dit werk, gerapporteerd in 2021, bevond zich Daniel Rodin-Legren, co-eerste auteur van het huidige werk en een postdoctoraal onderzoeker in de natuurkunde aan het MIT. Ze werden geleid door Jarilo Herrero.)
• Engineering van een nieuw pand, fotovoltaïsche zonne-energie, in een bekende familie van Halfgeleiders. (De wetenschappers die bij dit werk betrokken zijn, Gerapporteerd in 2021onder leiding van Jarillo Herrero.)
• Het voorspellen van nieuwe en vreemde magnetische verschijnselen, compleet met het ‘recept’ om ze te bereiken. (De wetenschappers die bij dit werk betrokken zijn, Gerapporteerd in 2023, inclusief MIT-natuurkundeprofessor Liang Fu en Nisarja Paul, een afgestudeerde natuurkundestudent aan het MIT. Zowel Fu als Paul zijn co-auteurs van het huidige artikel.)

Onthulling van quasikristallen

In het huidige werk sleutelden de onderzoekers aan een moiré-systeem gemaakt van drie lagen grafeen. Grafeen bestaat uit een enkele laag koolstofatomen, gerangschikt in zeshoekige vormen die lijken op een honingraatstructuur. In dit geval plaatste het team drie lagen grafeen op elkaar, maar draaide twee van de vellen onder iets verschillende hoeken.

Tot hun verbazing creëerde het systeem iets dat leek op een kristal, een ongebruikelijke materiaalsoort die in de jaren tachtig was ontdekt. Zoals de naam doet vermoeden vallen quasi-kristallen ergens tussen een kristal, zoals een diamant, dat een regelmatig herhalende structuur heeft, en een amorf materiaal, zoals glas, “waar de atomen allemaal door elkaar zijn gemengd of willekeurig zijn gerangschikt”, zegt de la Barrera. Kortom, de la Barrera zegt dat quasi-kristallen “heel vreemde patronen hebben” (zie enkele voorbeelden). hier).

Vergeleken met kristallen en amorfe materialen is er echter relatief weinig bekend over quasi-kristallen. Dit komt deels doordat ze moeilijk te maken zijn. “Dat betekent niet dat het niet interessant is; het betekent dat we er niet veel aandacht aan hebben besteed, vooral niet aan de elektronische eigenschappen ervan”, zegt de la Barrera. Het nieuwe, relatief eenvoudige platform zou daar verandering in kunnen brengen.

Meer inzichten en samenwerking

Omdat de oorspronkelijke onderzoekers geen experts waren op het gebied van quasi-kristallen, namen ze contact op met één persoon: professor Ron Lifshitz van de Universiteit van Tel Aviv. Aviram Uri, een van de co-eerste auteurs van het artikel en een postdoctoraal onderzoeker van Pappalardo en Vatat MIT, was een student van Lifshitz tijdens zijn bachelorstudie in Tel Aviv en was op de hoogte van zijn werk op het gebied van quasikristallen. Lifshitz, die ook de auteur is van natuur Het artikel hielp het team beter te begrijpen waar ze naar keken, wat zij quasikristallijne moiré noemen.

Vervolgens hebben natuurkundigen het moiré-quasikristal verfijnd om het supergeleidend te maken, of stroom te laten geleiden zonder enige weerstand onder een bepaalde lage temperatuur. Dit is belangrijk omdat supergeleidende apparaten veel efficiënter stroom door elektronische apparaten kunnen overbrengen dan tegenwoordig mogelijk is, maar dit fenomeen wordt nog steeds niet in alle gevallen volledig begrepen. Het nieuwe gegolfde quasikristallijne systeem biedt een nieuwe manier om dit te bestuderen.

Het team vond ook bewijs van symmetriebreuk, een ander fenomeen dat “ons vertelt dat elektronen zeer sterk met elkaar interageren.” “Als kwantumfysici en materiaalwetenschappers willen we dat onze elektronen met elkaar interageren, want dat is waar de exotische fysica plaatsvindt”, zegt de la Barrera.

Uiteindelijk zijn we “door middel van discussies over verschillende continenten in staat geweest dit ding te ontcijferen, en nu denken we dat we een goede controle hebben over wat er gebeurt”, zegt Urey, hoewel hij erop wijst dat “we het systeem nog niet volledig begrijpen. .” . Er zijn nog heel wat mysteries.”

Het beste deel van het onderzoek, zegt de la Barrera, was “het oplossen van de puzzel van wat we eigenlijk hebben gemaakt.” “Wij waren in verwachting [something else]Het was dus een zeer aangename verrassing toen we beseften dat we eigenlijk naar iets heel nieuws en anders keken.

“Voor mij is het hetzelfde antwoord”, zegt Urey.

Referentie: “Supergeleiding en sterke interacties in een afstembaar moiré quasi-kristal” door Aviram Uri, Sergio C. de la Barrera en Malika T. Randrea, Daniel Rodin-Legren, Trip Devakul, Philip JD Crowley, Nisarja Paul, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ron Lifshitz, Liang Fu, Raymond C. Ashuri, Pablo Jarillo Herrero, 19 juli 2023, natuur.
doi: 10.1038/s41586-023-06294-z

Extra auteurs voor natuur Het artikel is van Raymond C. Ashouri, hoogleraar natuurkunde aan het MIT; Malika T. Randrea, een onderzoeker bij het MIT Lincoln Laboratory die het werk uitvoerde als Pappalardo Fellow bij MIT en mede-eerste auteur van dit artikel is; Trithip Devakul, een assistent-professor aan Stanford University die het werk uitvoerde als postdoctoraal onderzoeker bij MIT; Philip JD Crowley, een postdoctoraal onderzoeker aan de Harvard University; en Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute of Materials Science in Japan.

Dit werk werd gefinancierd door het US Army Research Office, de US National Science Foundation, de Gordon and Betty Moore Foundation, een MIT Pappalardo Fellowship, een VATAT Distinguished Postdoctoral Fellowship in Quantum Science and Technology, JSPS KAKENHI en de Israel Science Foundation.