Uusia tiloja grafeenin taikakulmassa

Taiteilijan kuvaus kierretystä kaksikerroksisesta grafeenista ja siitä löydetyistä aineen eri olomuodoista.

Viime vuonna kahden grafeenikerroksen pienestä 1,1 asteen kiertymästä löydettiin ns. taikakulma, johon liittyi arvoituksellisia korreloivia eristevaiheita, samanlaisia kuin on havaittu korkean lämpötilan kupraatti suprajohteissa.

Nyt tutkijat Barcelonan ICFO:sta ovat onnistuneet parantamaan huomattavasti tämän kulmarakenteen laatua ja näin toimiessaan törmäsivät täysin odottamattomiin ilmiöihin.

He pystyivät tarkkailemaan valikoimaa, jossa oli aiemmin havaitsemattomia suprajohtavia ja korreloivia tiloja sekä täysin uusia magneettisia ja topologisia tiloja, avaten näin täysin uuden ja rikkaamman fysiikan alan.

Kaksinkertaiset hiilikerrokset ovat kiehtoneet tutkijoita, koska toisin kuin kupraatit, niiden rakenteellisesta yksinkertaisuudesta on tullut erinomainen alusta tutkia suprajohtavuuden monimutkaista fysiikkaa.

ICFO:n johdolla tehty tutkimus toteutettiin yhteistyössä UT Austinin, Kiinan tiedeakatemian ja Japanin kansallinen materiaalitieteiden instituutin kanssa.

Tutkijat käyttivät kokeessaan "repiä ja pinota" van der Waals -kokoonpanotekniikkaa, ja he pystyivät suunnittelemaan kaksi pinottua grafeenin yksikerrosta, joita pyöräytettiin vain 1,1 astetta - taikakulmaan.

Sitten he poistivat epäpuhtauksia ja paikallisia rasituksia kerrosten väliltä mekaanisella puhdistusprosessilla. Näin he pystyivät saamaan erittäin puhtaita ja vähemmän epäjärjestäytyneitä rakenteita.

Vaihtamalla rakenteen sisällä olevan varauksenkantajien tiheyttä lähellä olevalla kondensaattorilla he näkivät, että materiaalia voidaan virittää käyttäytymään eristeenä, suprajohteena tai jopa eksoottisena kiertoratamagneettina, jolla on ei-triviaalinen topologinen rakenne - faasi, jollaista ei ole koskaan ennen havaittu.

Vieläkin hämmästyttävämpi on se, että rakenne siirtyi suprajohtavaan tilaan pienimmillä kantajatiheyksillä, millaista koskaan on raportoitu mille tahansa suprajohteelle. Täysin uusi läpimurto tällä kentällä.

Yllätyksekseen tutkijat havaitsivat, että järjestelmä näytti kilpailevan monien uudenlaisten tilojen välillä. Virittämällä kantajatiheyttä kierrossa muodostuvan superhilan moiré-minikaistoissa, järjestelmä osoitti korreloivia tiloja ja suprajohtavuutta vuorotellen yhdessä eksoottisen magnetismin ja kaistatopologian kanssa.

He huomasivat myös, että nämä tilat olivat erittäin herkkiä kahden grafeenikerrosrakenteen välisen kiertymiskulman tarkkuudelle ja homogeenisyydelle. Lisäksi he pystyivät nostamaan suprajohtavan siirtymälämpötilan yli kolmeen kelviniin saavuttaen ennätysarvoon, joka on kaksi kertaa korkeampi kuin aikaisemmin aiheesta raportoidut arvot.

Poikkeuksellista tässä lähestymistavassa on, että grafeeni, materiaali, joka on tyypillisesti huono vahvoihin vuorovaikutuksiin elektroni-ilmiöiden suhteen, on nyt ollut mahdollistava työkalu, joka tarjoaa pääsyn tähän monimutkaiseen ja poikkeuksellisen rikkaaseen fysiikkaan.

Toistaiseksi ei ole teoriaa, joka selittäisi taikakulmagrafeenin suprajohtavuutta mikroskooppisella tasolla, mutta tämän uuden löydön avulla syntyi uusi mahdollisuus paljastaa sen alkuperä.

Aiheesta aiemmin:

Moiré-kuviot tuottavat superhiloja

Uusia yllätyksiä kaksiulotteisista