Ao determinar como os pares de elétrons fluem rapidamente através desse materials, os cientistas deram um grande passo para entender suas propriedades notáveis.
Os materiais supercondutores são semelhantes à pista de carpool em uma interestadual congestionada. Como os passageiros que andam juntos, os elétrons que se juntam podem ignorar o tráfego common, movendo -se pelo materials com atrito zero.
Mas, assim como nas caronas, a facilidade com que os pares de elétrons podem fluir depende de várias condições, incluindo a densidade de pares que estão se movendo através do materials. Essa “rigidez superfluida” ou a facilidade com que uma corrente de pares de elétrons pode fluir é uma medida -chave da supercondutividade de um materials.
Os físicos da MIT e da Universidade de Harvard agora mediram diretamente a rigidez superfluida pela primeira vez em grafeno de “ângulo mágico”-materiais feitos de duas ou mais folhas finas atomicamente finas torcidas em relação um ao outro em apenas o ângulo reto para habilitar Uma série de propriedades excepcionais, incluindo supercondutividade não convencional.
Essa supercondutividade faz do grafeno de ângulo mágico um bloco de construção promissor para futuros dispositivos de computação quântica, mas exatamente como as supercondutas materiais não são bem compreendidas. Conhecer a rigidez supuradora do materials ajudará os cientistas a identificar o mecanismo de supercondutividade no grafeno de ângulo mágico.
As medidas da equipe sugerem que a supercondutividade do grafeno de ângulo mágico é governado principalmente pela geometria quântica, que se refere à “forma” conceitual de estados quânticos que podem existir em um determinado materials.
Os resultados, que são relatado hoje no diário NaturezaRepresentar a primeira vez que os cientistas medem diretamente a rigidez superfluida em um materials bidimensional. Para isso, a equipe desenvolveu um novo método experimental que agora pode ser usado para fazer medições semelhantes de outros materiais de supercondutor bidimensionais.
“Há uma família inteira de supercondutores 2D que está esperando para serem sondados, e estamos realmente apenas arranhando a superfície”, diz o co-líder do estudo, Joel Wang, cientista de pesquisa do Laboratório de Pesquisa de Eletrônicos do MIT (RLE).
Os co-autores do estudo do principal campus do MIT e do MIT Lincoln Laboratory incluem o autor co-líder e ex-Rle PostDoc Miuko Tanaka, além de Thao Dinh, Daniel Rodan-Legrain Phd ’22, Myeia Zaman, Max Hays, Bharath Kannan, Aziza almanakly, David Kim, Bethany Niedzielski, Kyle Serniak, Mollie Schwartz, Jeffrey Grover, Terry Orlando, Simon Gustavsson, Pablo Jarillo-Herreroe William D. Oliverjunto com Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi, do Instituto Nacional de Ciência dos Materiais no Japão.
Ressonância mágica
Desde seu primeiro isolamento e caracterização em 2004, o grafeno provou ser uma espécie de substância maravilhosa. O materials é efetivamente uma única folha de grafite finas e finas, que consiste em uma treliça precisa de arame de galinha de átomos de carbono. Essa configuração simples pode exibir uma série de qualidades superlativas em termos de força, durabilidade e capacidade do grafeno de conduzir eletricidade e calor.
Em 2018, Jarillo-Herrero e colegas descobriram que quando duas folhas de grafeno são empilhadas umas sobre as outras, em um ângulo “mágico” preciso, a estrutura torcida-agora conhecida como grafeno de bilayer torcido em ângulo mágico, ou matbg-exibe totalmente novo Propriedades, incluindo supercondutividade, nas quais os elétrons emparelham -se, em vez de repelir um ao outro como fazem nos materiais cotidianos. Esses chamados pares de Cooper podem formar um superfluido, com o potencial de supercondute, o que significa que eles poderiam se mover através de um materials como uma corrente sem esforço e sem atrito.
“Mas, embora os pares de Cooper não tenham resistência, você deve aplicar algum empurrão, na forma de um campo elétrico, para fazer com que a corrente se mova”, explica Wang. “A rigidez superfluida refere -se à facilidade de mover essas partículas, a fim de impulsionar a supercondutividade.”
Hoje, os cientistas podem medir a rigidez superfluida em materiais supercondutores através de métodos que geralmente envolvem a colocação de um materials em um ressonador de microondas – um dispositivo que possui uma frequência de ressonância característica na qual um sinal elétrico oscilará, em frequências de microondas, como uma corda de violino vibratória. Se um materials supercondutor for colocado dentro de um ressonador de microondas, ele pode alterar a frequência de ressonância do dispositivo e, em explicit, sua “indutância cinética”, por uma quantidade que os cientistas podem relacionar diretamente à rigidez supuradora do materials.
No entanto, até o momento, essas abordagens foram compatíveis apenas com amostras de materials grande e espesso. A equipe do MIT percebeu que medir a rigidez superfluida em materiais atomicamente finos como o MATBG exigiria uma nova abordagem.
“Comparado ao MATBG, o supercondutor típico que é sondado usando ressonadores é de 10 a 100 vezes mais espesso e maior em área”, diz Wang. “Não tínhamos certeza se um materials tão pequeno geraria qualquer indutância mensurável.”
Um sinal capturado
O desafio para medir a rigidez supuradora no MATBG tem a ver com a conexão do materials extremamente delicado à superfície do ressonador de microondas o mais perfeitamente possível.
“Para fazer isso funcionar, você deseja fazer um contato idealmente sem perdas – ou seja, supercondutor – entre os dois materiais”, explica Wang. “Caso contrário, o sinal de microondas que você envia será degradado ou até mesmo se recuperará em vez de entrar no seu materials de destino.”
O grupo de Will Oliver no MIT vem desenvolvendo técnicas para conectar com precisão materiais bidimensionais extremamente delicados, com o objetivo de construir novos tipos de bits quânticos para futuros dispositivos de computação quântica. Para seu novo estudo, Tanaka, Wang e seus colegas aplicaram essas técnicas para conectar perfeitamente uma pequena amostra de MATBG ao last de um ressonador de microondas de alumínio. Para isso, o grupo primeiro usou métodos convencionais para montar o MATBG e depois imprensou a estrutura entre duas camadas isolantes de nitreto de boro hexagonal, para ajudar a manter a estrutura e propriedades atômicas do MATBG.
“O alumínio é um materials que usamos regularmente em nossa pesquisa de computação quântica supercondutora, por exemplo, ressonadores de alumínio para ler bits quânticos de alumínio (qubits)”, explica Oliver. “Então, pensamos, por que não fazer a maior parte do ressonador do alumínio, o que é relativamente direto para nós, e depois adiciona um pouco de matbg ao last? Acabou sendo uma boa ideia. ”
“Para entrar em contato com o matbg, gravamos com muita força, como cortar camadas de um bolo com uma faca muito afiada”, diz Wang. “Expomos um lado do matbg recém-cortado, no qual depositamos o alumínio-o mesmo materials que o ressonador-para fazer um bom contato e formar um chumbo de alumínio”.
Os pesquisadores então conectaram os fios de alumínio da estrutura MATBG ao maior ressonador de microondas de alumínio. Eles enviaram um sinal de microondas através do ressonador e mediram a mudança resultante em sua frequência de ressonância, da qual poderiam inferir a indutância cinética do matbg.
Quando eles converteram a indutância medida para um valor de rigidez supuradora, no entanto, os pesquisadores descobriram que period muito maior do que o que as teorias convencionais da supercondutividade teriam previsto. Eles tinham um palpite de que o excedente tinha a ver com a geometria quântica do MATBG – a maneira como os estados quânticos de elétrons se correlacionam.
““Vimos um aumento de dez vezes na rigidez superfluida em comparação com as expectativas convencionais, com uma dependência de temperatura consistente com o que a teoria da geometria quântica prevê ”, diz Tanaka. “Esta foi uma ‘arma de fumar’ que apontou para o papel da geometria quântica na rigidez superfluida que governa esse materials bidimensional”.
“Este trabalho representa um ótimo exemplo de como se pode usar a tecnologia quântica sofisticada atualmente usada em circuitos quânticos para investigar sistemas de matéria condensada que consistem em partículas fortemente interagindo”, acrescenta Jarillo-Herrero.
Esta pesquisa foi financiada, em parte, pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, pela Nationwide Science Basis, pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA e pelo Secretário de Defesa dos EUA para Pesquisa e Engenharia.
Um estudo complementar sobre grafeno de trilayer torcido em ângulo mágico (MATTG), conduzido por uma colaboração entre o grupo de Philip Kim na Universidade de Harvard e Grupo de Jarillo-Herrero no MIT aparece na mesma edição de Natureza.
