Магическим углом графена производит переключаемых моделей сверхпроводимости

В прошлом году ученые показали, что витая бислоя графена — материал, изготовленный из двух атом-тонкие листы из углерода с небольшим изменением-можно выставлять чередующихся сверхпроводящих и изолирующих областей. Теперь, новое исследование в журнале Nature ученые из Испании, США, Китая и Японии показывает, что сверхпроводимость может быть включен или выключен с небольшим изменением напряжения, повышая его полезность для электронных устройств.

«Это своего рода Святой Грааль физики для создания материала, обладающего сверхпроводимостью при комнатной температуре,» Университет штата Техас в Остине физик Аллан Макдональд сказал. «Так что это часть мотивации этой работы: высокотемпературная сверхпроводимость понимаю лучше».

Открытие является значительным шагом вперед в новую область под названием Twistronics, чьи пионеры включают Макдональд и инженер Эммануэль Tutuc, также из Университета штата Техас в Остине. Потребовалось несколько лет упорного труда исследователей по всему миру, чтобы превратить оригинальное понимание «МакДональдз» в материалы с этими странными свойствами, но это стоило ждать.

Поиск сверхпроводимости в странных местах

В 2011 году Макдональд, физик-теоретик, который использует квантовые математики и компьютерного моделирования для исследования двумерных материалов, сделали неожиданное открытие. Вместе с Рафи Bistritzer, докторской исследователь, он работал на стройке простым, но точным моделей, как электроны ведут себя в сложенных 2D материалы — материалы толщиной в один атом … когда один слой слегка перекосило по отношению к другим. Проблема, казалось бы, ООН-вычислимой, Макдональд считал, может быть значительно упрощена, сосредоточив внимание на один из ключевых параметров системы.

Стратегии MacDonald и Bistritzer заняты оказались успешными. Удивление пришло позже. Когда они применяли свой метод для витой бислоя графена, система, состоящая из двух слоев атомов углерода, они обнаружили, что в очень специфическим углом около 1,1 градуса-который они окрестили «магическим углом» — электроны вели себя в странный и неординарный способ, вдруг движется более чем в 100 раз медленнее.

Почему это так и что это означает для науки потребуются годы, чтобы обнаружить.

В краткосрочной перспективе, находка была в значительной степени игнорируются или уволены. Результат казался слишком необычным, чтобы поверить. Кроме того, не было очевидно, что создание физического примера такой системы, с таким точным размещения двумерных листов, был физически достижимо.

Но не каждый был недоверчив и запуган результаты. Взял несколько экспериментаторов во всем мире отмечают предсказания, опубликованные в Трудах Национальной академии наук и решили проводить «волшебный угол». Когда в 2018 году, впервые физики из Массачусетского технологического института создали систему многослойный графен крутили на 1,1 градуса, они нашли, как Макдональд предсказывали, что она показала замечательные свойства, в частности, сверхпроводимости при удивительно высоких температурах.

«Нет простого объяснения, почему электроны вдруг замедлится», — сказал Макдональд. «Благодаря последним работам теоретиков в Гарварде, теперь есть частичное объяснение, связанное с моделями часто исследуемых в физике элементарных частиц. Но там сейчас весь мир взаимосвязанных эффектов в различных слоистых 2D материалы. Витой бислоя графена просто заглянуть в одной его части».

Сверхпроводящие материалы, не имеющие электрического сопротивления, что позволяет электронам бесконечно путешествовать без рассеивания энергии. Они используются в квантовых вычислениях и может быть игра-чейнджер для электрической передачи, если они не требуют дорогостоящего холодильного оборудования.

Впервые обнаружен в 1911 году, сверхпроводимости было зафиксировано в ряде материалов. Однако, все они требуют очень низких температурах, чтобы сохранить их отличительные особенности. Появление наборный 2D материалы могут изменить это.

Открытие сверхпроводимости в витой бислоя графена с топливом для процветания подполе с броским названием — Twistronics-и спешат дальше развивать технологии.

Десятилетие посвятил изучению

С тех пор, как открытие графена Андре Гейм и Константин Новоселов в Университете Манчестера в 2004 году (которая в конечном итоге привела к Нобелевской премии по физике в 2010 году), Макдональд был очарован этим странным, двумерных системах, и Новой физики они могут содержать.

Он начал изучать материал практически сразу и, начиная с 2004 года, использовал суперкомпьютеры в Техасе расширенный вычислительный центр (КТПС) для изучения электронной структуры графена и другие 2D-материалы.

«Моя работа заключается в прогнозировании необычные явления, которые не были замечены раньше, или пытаются понять явления, которые не вполне понятны», — сказал Макдональд. «Меня тянет к теории, которая подключается непосредственно к вещам, которые на самом деле произошло, и меня интересует сила математики и теории для описания реального мира.»

Странные свойства слоистых 2D материалы, кажется, касаются взаимодействий, которые становятся более решающим, когда электроны замедляются, вызывая сильные корреляции между отдельными электронами. Как правило, электроны круг почти отдельно вокруг ядра в атомных орбиталей, располагаясь в квантовых состояниях с низкой доступной энергии. Это не похоже на волшебный угол графена.

«В принципе, ничего сильно интересного может произойти, когда электроны самоорганизуются, как они делают в атоме занимают орбитали с наименьшей энергией», — сказал Макдональд. «Но однажды их судьба определяется взаимодействиями между электронами, то интересные вещи могут случиться.»

Как мне сразу изучать то, что происходит в слоистых системах 2D-известный, технически, как Ван-дер-Ваальсовых гетероструктур? «Видим» электроны в движении практически невозможно. Измерения дают подсказки, но результаты косой и часто нелогично. Компьютерные модели, Макдональд считает, может помочь добавить в складывающуюся картину замкнутых электронов.

Компьютерные модели, которые представляют собой классические модели электронной структуры хорошо развиты и очень точный в большинстве случаев, но они должны быть скорректированы в лице странная физика гетеропереходов.

Изменение этих факторов означает, что переписав наиболее распространенной модели, чтобы отразить поведение сильно взаимодействующих электронов, задача, которая Макдональда и исследователи в своей лаборатории в настоящее время работают на, используя КТПС по Stampede2 суперкомпьютер-один из самых мощных в мире-для тестирования моделей и выполнения моделирования. Кроме того, все большее число электронов должны быть включены для того, чтобы точно повторить результаты, которые выходят из лабораторий по всему миру.

«Реальная система имеет миллиарды электронов,» Макдональд объяснил. «По мере увеличения количества электронов, вы быстро превышает возможности любого компьютера. Так, один из подходов, которые мы используем в работе, возглавлявшейся Potasz Павел — гость из Польши-это решить электронные проблемой для небольшого количества электронов и экстраполировать поведение больших чисел».

Применение теории никогда еще не видел систем

Во время работы на редизайн модели электронной структуры и масштабов их все большее число электронов, Макдональд по-прежнему находит время для совместной работы с экспериментальными группами во всем мире, добавив его теоретической и вычислительной выводы в своих выводах.

В течение многих лет после открытия магическим углом, практические трудности в создании чистых форм слоистых 2D материалы с точными углами поворота общества в области. Но в 2016 году, другой исследователь УТ, Эмануэль Tutuc, и его аспирант, Kyounghwan Ким, разработал надежный метод для создания таких систем, не только используя графен, но из разных материалов 2Д.

«Прорыв действительно был метод, который мой ученик, который состоит из принятия большого слоя, разделив его на два и один сегмент и положить его на верхней части другой», — сказал Tutuc.

Причина того, что не были выполнены ранее, что очень трудно подобрать микронного размера кусок атом-толстый материал. Ким изобрел липкие, полушаровидные ручки, что может поднять индивида отслаиваться, оставляя все остальное в непосредственной близости нетронутой.

«Как только это было сделано, возможности стали безграничны», — продолжил он. «Вскоре после этого, один и тот же ученик сказал, ‘Хорошо, теперь, что мы можем совместить их с очень высокой точностью, давайте идти вперед и крутить их. Так что был следующий шаг».

В последние годы, Макдональд и его команда изучили стопки три, четыре или пять слоев графена, а также других перспективных материалов, в частности переходных металлов, халькогенидов, искать необычные … и потенциально полезное-явлений.

Написание в природе в феврале 2019, Макдональд, Tutuc, УТ Остин физик Элейн Ли, и большой международный коллектив описано наблюдение непрямых экситонов в молибдена диселенид вольфрама диселенид (MoSe2/WSe2) heterobilayer с малым углом закрутки.

Экситоны-это квазичастицы, которые состоят из электрона и дырки, которые привлекают и удерживают друг друга на месте. Они, как правило, существуют в одном слое. Однако, с некоторых 2D материалы, это возможно для них, чтобы существовать на разных слоях, что значительно увеличивает продолжительность времени их существования. Это может позволить сверхтекучести, беспрепятственный поток жидкости — свойства ранее видели только в жидком гелии.

Теперь, Макдональд и команды из Испании, Китая и Японии опубликовали исследование, в природе магическим углом графена показали, что материал может проявлять чередующихся сверхпроводящих и изолирующей фаз, который может быть включен или выключен при небольшом изменении напряжения, аналогично напряжений, используемых в интегральных схемах, увеличивая ее полезность для электронных устройств. Чтобы достичь такого результата, члены команды из Каталонского института оптической физики произвели графеновых сверхрешетках с более равномерным повороты, чем раньше. Поступая таким образом, они обнаружили, что узор из чередующихся изоляционных и сверхпроводящего состояний является даже более сложным, чем прогнозировалось.

КТПС суперкомпьютеры являются важнейшим инструментом в исследованиях Макдональда и были использованы для теоретического моделирования данных в последнее время природа.

«Многие вещи мы делаем, мы не могли обойтись без высокопроизводительных компьютеров,» он утверждал. «Мы начинаем запуск на рабочем столе, а затем мы быстро увязнуть. Поэтому очень часто, используя суперкомпьютер-это разница между возможностью получить удовлетворительного ответа и не могут получить удовлетворительного ответа.»

Хотя результаты вычислительных экспериментов может показаться менее непосредственные или «реальным», чем те, в лаборатории, как Макдональд показал, что результаты могут выставить новые возможности исследования и помочь осветить тайны Вселенной.

«Дело в том, что энергия моя работа заключается в том, что природа всегда создает новые проблемы. И когда вы задаете новый тип вопроса, Вы не знаете заранее, что ответ будет», — сказал Макдональд. «Исследования-это приключение, приключение в сообщество, коллективное случайное блуждание, в котором знания движется вперед».

сделать разницу: спонсорские возможности