Graficul cu unghi magic produce modele de superconductivitate comutabile - ScienceDaily
Anul trecut, oamenii de știință au demonstrat că grafenul cu două straturi răsucite - un material format din două foi de carbon subțiri cu atomi cu o ușoară răsucire - poate prezenta regiuni alternante supraconductoare și izolante. Acum, un nou studiu din revista Nature realizat de oameni de știință din Spania, SUA, China și Japonia arată că superconductivitatea poate fi activată sau dezactivată cu o mică modificare a tensiunii, sporindu-i utilitatea pentru dispozitivele electronice.
"Este un fel de graal sfânt al fizicii să creezi un material care are supraconductivitate la temperatura camerei", a spus fizicianul Allan MacDonald de la Universitatea Texas din Austin. „Așadar, aceasta face parte din motivația acestei lucrări: să înțelegem mai bine superconductivitatea la temperaturi ridicate.”
Descoperirea este un progres semnificativ într-un domeniu emergent numit Twistronics, ai cărui pionieri includ MacDonald și inginerul Emanuel Tutuc, tot de la Universitatea din Texas la Austin. Au fost necesari câțiva ani de muncă grea a cercetătorilor din întreaga lume pentru a transforma ideea inițială a lui MacDonald în materiale cu aceste proprietăți ciudate, dar a meritat să așteptăm.
Găsirea supraconductivității în locuri ciudate
În 2011, MacDonald, un fizician teoretic care folosește matematica cuantică și modelarea computerizată pentru a studia materialele bidimensionale, a făcut o descoperire neașteptată. Împreună cu Rafi Bistritzer, cercetător postdoctoral, el lucra la construirea unor modele simple, dar precise, despre cum se comportă electronii în materiale 2D stivuite - materiale cu un atom gros - atunci când un strat este ușor răsucit față de altele. MacDonald credea că problema aparent necomputabilă ar putea fi mult simplificată prin concentrarea asupra unui parametru cheie al sistemului.
Strategia utilizată de MacDonald și Bistritzer a fost implementată cu succes. Surpriza a venit mai târziu. Când și-au aplicat metoda graficului bistratat răsucit, un sistem format din două straturi de atomi de carbon, au descoperit că la un unghi foarte specific de aproximativ 1,1 grade - pe care l-au numit „unghiul magic” - electronii s-au comportat într-un mod ciudat și extraordinar., mișcându-se brusc de peste 100 de ori mai încet.
De ce a fost cazul și ce ar însemna pentru știință ar fi nevoie de ani de zile pentru a descoperi.
Pe termen scurt, constatarea a fost în mare parte ignorată sau respinsă. Rezultatul părea prea neobișnuit pentru a crede. Mai mult, nu era evident că crearea unui exemplu fizic al unui astfel de sistem, cu o așezare atât de precisă a foilor bidimensionale, era realizabilă fizic.
Dar nu toată lumea a fost incredibilă sau intimidată de rezultate. Câțiva experimentaliști din întreaga lume au luat act de predicția publicată în Proceedings of the National Academy of Sciences și au ales să urmărească „unghiul magic”. Când în 2018, pentru prima dată, fizicienii de la Massachusetts Institute of Technology au creat un sistem de grafen stratificat răsucit cu 1,1 grade, au descoperit, așa cum a prezis MacDonald, că prezintă proprietăți remarcabile - în special, supraconductivitate la o temperatură surprinzător de ridicată.
„Nu există o explicație simplă pentru care electronii încetinesc brusc”, a spus MacDonald. "Datorită lucrărilor recente ale teoreticienilor de la Harvard, există acum o explicație parțială legată de modelele deseori studiate în fizica elementară a particulelor. Dar există acum o întreagă lume a efectelor conexe în diferite materiale 2D stratificate. Grafenul cu două straturi răsucite este doar o privire într-o singură parte din el. "
Materialele supraconductoare nu au rezistență electrică, permițând electronilor să se deplaseze la nesfârșit fără a disipa energia. Acestea sunt utilizate în calculul cuantic și ar putea fi schimbătoare de jocuri pentru transmisia electrică dacă nu ar necesita o refrigerare costisitoare.
Descoperită pentru prima dată în 1911, superconductivitatea a fost documentată într-o serie de materiale. Cu toate acestea, toate necesită temperaturi extrem de scăzute pentru a-și menține caracteristicile distinctive. Apariția materialelor 2D stivuite poate schimba acest lucru.
Descoperirea supraconductivității în grafenul cu două straturi răsucite a furnizat de atunci combustibil pentru un subcamp înfloritor cu un nume atrăgător - Twistronics - și o grabă pentru dezvoltarea tehnologiei în continuare.
Un deceniu de studiu dedicat
Încă de la descoperirea grafenului de către Andre Geim și Konstantin Novoselov la Universitatea din Manchester în 2004 (care a dus în cele din urmă la un Premiu Nobel pentru fizică în 2010), MacDonald a fost fascinat de aceste ciudate sisteme bidimensionale și de noua fizică pe care o au poate conține.
A început să studieze materialul aproape imediat și, din 2004, a folosit supercalculatoare la Texas Advanced Computing Center (TACC) pentru a explora structura electronică a grafenului și a altor materiale 2D.