Framandi skammtaáhrifin sem finnast leynast inni í ofurþunnum efnum

ÞAÐ VAR mars 2018. Andrúmsloftið á ársfundi American Physical Society í Los Angeles ráðstefnumiðstöðinni var mjög hlaðið. Þingið hafði verið flutt í atríum til að koma til móts við mannfjöldann, en fólk þurfti samt að troða sér út á svalir til að fá útsýni yfir atburðinn.

Sögusagnir sögðu að Pablo Jarillo-Herrero , eðlisfræðingur við Massachusetts Institute of Technology, hefði eitthvað stórkostlegt að frétta. Hann og samstarfsmenn hans höfðu verið að gera tilraunir með grafen, blöð af kolefni sem eru aðeins eitt atóm á þykkum sem eru afhýdd af grafítinu sem er að finna í blýblýanti. Grafen var þegar fagnað fyrir ýmsa efnilega rafræna eiginleika þess og margt fleira.

Hér sýndi Jarillo-Herrero fram á að ef þú staflað tveimur grafenblöðum og snúið eða snúið öðru miðað við annað við ákveðin „töfrahorn“, gætirðu gert efnið að einangrunarefni , þar sem rafstraumur flæðir varla, eða ofurleiðara , þar sem straumur flæðir með núllviðnám. Þetta var yfirþyrmandi bragð og hugsanlega gríðarlega þýðingarmikið vegna þess að ofurleiðni lofar góðu fyrir forrit, allt frá skammtafræði til kjarnasamruna.

Vísindamenn hafa síðan notað snúið grafen til að búa til alls kyns framandi skammtaáhrif, þar á meðal „kvenagnir“ sem geta komið fram sem segulmagnaðir hvirflar og að öðru leyti sýnt furðulega rafræna eiginleika. „Það sem er spennandi við þessi kerfi er að þau hafa mikla möguleika á að koma á óvart,“ segir Amir Yacoby við Harvard háskólann.

Enn meira spennandi er að við erum varla byrjuð á þessari ferð. Nú, með því að setja inn fleiri blöð af grafeni eða skipta í blöð af öðrum efnum til að framleiða svipaða áhrif, erum við að kafa dýpra inn í villta nýja eðlisfræði sem leynist inni í tvívíðum efnum.

Rannsóknir á þessum skekktu, lagskiptu efnum bjóða upp á nýja leið til að rannsaka grundvallareðli efna, og nánar tiltekið hvernig uppröðun atóma hefur áhrif á eiginleika þeirra. Hvort efni leiði rafstraum eða ekki stafar af því hvernig rafeindirnar í atómum þess dreifast um kjarna þeirra. Í stórum dráttum má segja að dreifing rafeinda á nálægum atómum skarast til að mynda útbreidd „bönd“ um efnið. Í leiðandi efni taka rafeindirnar með mestu orkuna í band sem hefur pláss fyrir fullt af öðrum rafeindum, þannig að þær eru hreyfanlegar: leggja á spennu og þær geta flætt sem rafstraumur á milli rafskautanna. Í einangrunarbúnaði er hæsta orkusviðið, eins og önnur bönd með minni orku, algerlega fyllt af rafeindum. Þannig að rafeindirnar, eins og mannfjöldi í troðfullu herbergi, hafa ekkert frelsi til að hreyfa sig.

Í grafeni eru kolefnisatómin tengd í honeycomb-eins sexhyrnd grind og það er band þar sem rafeindir eru frjálsar að reika um þetta, sem gerir þær óvenju hreyfanlegar – efnilegur eiginleiki fyrir háhraða rafeindatækni. Reyndar, í óspilltu grafeni, þar sem engar ófullkomleikar eru í honeycomb grindunum, hreyfast rafeindirnar fræðilega á ljóshraða , eins og þær hafi engan massa.

En ef þú tekur tvö lög af grafeni og snýr öðru þeirra miðað við hitt geturðu breytt því hvernig rafeindir hreyfast. Sexhyrndu ristin tvö færast inn og úr röðun þegar þú ferð yfir grindurnar, sem skapar eins konar „ofurgrind“ sem endurtekur sig á mun stærri skala. Sömu áhrif hafa verið vinsæl í „moire“ textíl, þar sem munstur sem er stærra en dúkanetið kemur upp úr leik ljóssins á skekktum efnislögum. Fyrir rafeindir í grafeni er hegðun þeirra ekki lengur bara undir áhrifum af kolefnisatómgrindunum heldur líka moire grindunum, sem hefur áhrif á hversu auðveldlega þær fara á milli laga. Niðurstaðan er sú að leiðandi rafeindir í þessu brenglaða tvílaga grafeni geta hægst verulega á og breytt hegðun þeirra.

„Þegar rafeindir hafa mikla hreyfiorku, þegar þær hreyfast mjög hratt, hafa þær varla tíma til að hafa samskipti,“ segir Jarillo-Herrero. En þetta breytist þegar þeir hægja á sér í snúnu tvílags grafeni, bætir hann við. Hin sterku víxlverkun gerir það að verkum að rafeindahreyfingar verða mjög viðkvæmar og háðar hver annarri. Í tæknilegu tilliti verða þær mjög fylgnir – og hér byrja hlutirnir að verða áhugaverðir, vegna þess að fylgnir rafeindir eru færar um annars ómögulegt afrek.

Rafeindir sameinast

Taktu ofurleiðni. Í hefðbundnum ofurleiðurum leiða samspil rafeinda til þess að þær sameinast í „Cooper pör“. Lögmál skammtafræðinnar sem takmarka fjölda rafeinda sem geta deilt sömu eiginleikum – orku, stöðu og svo framvegis – eiga ekki við um þessi Cooper pör. Þannig geta þeir safnast í fjöldann og keppt um, óhindrað af grindaratómunum, án mótstöðu.

Reyndar er Cooper-par dæmi um hálfkornaeiningu: Sameiginlegt ástand margra rafeinda sem virkar eins og það sé ný gerð agna.

Svo ef þú ert að leita að angurværum rafrænum eiginleikum, vilt þú að rafeindirnar þínar séu tengdar. Og ef þú vilt sterkar fylgnir eru flat efni besti kosturinn þinn. Í þrívídd hafa rafeindirnar fleiri leiðir til að færa sig út úr seilingarskyni hver fyrir aðra. Í tvívídd, á hinn bóginn, og sérstaklega í lak-líkum leiðara eins og grafen, eru rafeindirnar líklegri til að koma saman til að framkvæma brellur sínar.

Eva Andrei við Rutgers háskólann í New Jersey og samstarfsmenn hennar höfðu þegar séð töfrahornsáhrif þegar þeir sáu að skrýtnir hlutir gerðust við orkustig rafeinda í sýnum þar sem eitt grafenblað lá ofan á öðru. Áhrifin voru sérstaklega áberandi þegar öðru lagi var snúið um 1 gráðu miðað við hitt. Þegar aðrir hópar greindu frá svipuðum fyrirbærum fóru fræðimenn að velta fyrir sér hvað væri í gangi. Þeirra á meðal voru Allan MacDonald við háskólann í Texas í Austin og kollegi hans Rafi Bistritzer , nú við Tel Aviv háskólann í Ísrael. Þeir reiknuðu út rafeiginleika tvílags grafens og komust að því að hraði rafeindanna myndi falla niður í núll við ákveðin snúningshorn. „Rafeindirnar hætta bara,“ segir MacDonald. „Þetta kom okkur algjörlega á óvart.

Stærsta þessara töfrahorna var um 1,16 gráður, sem er enn pínulítið og krefst þess vegna djöfullega viðkvæmrar stjórnunar á stefnu smásjárra grafenlaganna. En Jarillo-Herrero gat séð að þetta snúningshorn átti möguleika sem áður óþekktur „stillingarhnappur“ fyrir rafeiginleika, svo hann ákvað að prófa.

Árið 2016 fann teymi hans fyrstu sönnunargögnin í snúnu tvílags grafeni um rafeindabönd með mjög litla hreyfiorku, sem jafngildir lágum hraða sem MacDonald og Bistritzer höfðu spáð fyrir um. Vísindamennirnir þrýstu áfram og leituðu að tegund óleiðandi ástands sem kallast Mott einangrunarefni sem þeir héldu að gæti stafað af rafeindum sem hafa sterka fylgni.

Vissulega, árið 2018, teymi Jarillo-Herrero fylgdist líka með þessari hegðun – en líka eitthvað meira heillandi. Ef rannsakendur breyttu spennunni til að fínstilla hversu margar rafeindir væru tiltækar til að flytja straum gætu þeir framleitt ofurleiðara . Eins og með öll ofurleiðandi efni kom þessi hegðun aðeins fram við mjög lágt hitastig – undir 1,7 kelvin, sem er minna en 2 gráður frá algjöru núlli. Enginn hafði spáð þessu, segir Jarillo-Herrero.

Ofurleiðni vekur vonir

Auðvitað flykktust vísindamenn fljótt til að rannsaka framandi rafræn áhrif sem myndast af grafeni með töfrahorni. Þeir fengu orku ekki aðeins vegna möguleika á að uppgötva nýja grundvallareðlisfræði, heldur einnig vegna þess að ofurleiðarar eru eftirsóttir. Hægt er að nota þá í skammtabita í skammtatölvum, sem nýta sér undarleg lögmál skammtaeðlisfræðinnar til að flýta fyrir ákveðnum útreikningum, sem og í tækni sem notar sterkt segulsvið, eins og segulómunarvélar og kjarnasamrunaofna.

Ein leið til að framleiða segulsvið er með því að keyra straum í gegnum spóluvír. Stækkaðu straumana með ofurleiðandi vírum og mun stærri segulsvið eru möguleg. En nauðsyn þess að kæla ofurleiðandi víra með krýógenískum hætti gerir þá erfitt að vinna með. Sem útskýrir hvers vegna sumt fólk var forvitið um möguleikann á því að ofurleiðandi hegðun í grafeni með töfrahorn gæti boðið leið til að skilja loksins hvers vegna ákveðin kopar-undirstaða efnasambönd sem kallast lagskipt kuprat geta ofurleiða við tiltölulega mildan hita allt að 135K (-138°) C) . Fyrst var greint frá hegðuninni fyrir tæpum 40 árum síðan hefur hegðunin reitt völlinn.

„Við vitum ekki ennþá hvort skilningur á töfrahornsgrafeni muni hjálpa okkur að skilja uppruna ofurleiðni í cuprates,“ segir Jarillo-Herrero. Bæði kupratið og töfrahornsgrafenið eru lagskipt efni og deila öðrum eiginleikum, segir hann, en þau eru líka ólík. „Mitt innsæi er að það muni [hjálpa], en það er of snemmt að segja til um það.

Í öllum tilvikum, það er fullt af forvitnilegum fyrirbærum að uppgötva með töfrahornsgrafeni. Til dæmis er hægt að gera það ferromagnetic, eins og járn. Ferromagnetism stafar af skammtaeiginleika rafeinda sem kallast snúningur. Í járnsegulfræðilegum efnum jafnast allar rafeindirnar saman. Árið 2019 gátu David Goldhaber Gordon hjá Stanford Institute for Materials and Energy Sciences í Kaliforníu og samstarfsmenn hans fylgst með járnsegulfræðilegum eiginleikum grafens í fyrsta skipti með því að hagræða rafeindaböndum grafens með töfrahorni. Stýranlegur ferromagnet sem hægt er að kveikja og slökkva á gæti verið gagnlegur í tegund rafeindatækni sem kallast spintronics, þar sem upplýsingar eru kóðaðar í snúningi rafeinda frekar en í rafstraumspúlsum.

Hálfkorna veiðisvæði

Töfrahornsgrafén hefur einnig reynst frjór jarðvegur fyrir uppgötvun nýrra og framandi hálfagna, þar á meðal þeirra sem geta haft brothleðslur. Hleðsla rafeinda er grundvallareining – engin frjáls ögn getur haft minni hleðslu en þetta. En rafeindir geta hegðað sér eins og þær hafi brothleðslu í fyrirbæri sem kallast Hall-skammtaáhrif. Þó að slíkar hlutahlaðnar hálfagnir hegða sér almennt eins og þær séu einangraðar hver frá annarri, í töfrahornsgrafeni geta þær raðað sér inn í sína eigin hálfkorna grindurnar, þekktar sem brotlega Chern einangrunarefni .

Meira en bara vísindaleg forvitni, þessar brotlegu hálfkornaeindir vekja hagnýtan áhuga vegna þess að þær bera sláandi líkindi við „hvað sem er“ – ímyndaða hálfkornaeind sem er mikið leitað fyrir skammtatölvuna.

Í stöðluðu líkani agnaeðlisfræðinnar falla allar grundvallaragnir í einn af tveimur flokkum: fermjónum eins og rafeindum og bósónum eins og ljóseindum. Kvaddir fylgja almennt sömu tvískiptingu. Cooper pör, til dæmis, eru bón. En hver sem er, ef hann væri til, væri eitthvað á milli bosons og fermion. Ein ákveðin tegund af hverjum sem er hefur verið lögð til sem skammtabiti sem væri ónæmur fyrir tilviljunarkenndum flipum í ástandi sem valda villum í skammtaútreikningi, sem nú er lykilhindrun við að standa við loforð skammtatölva.

Uppgötvanirnar halda áfram að koma. Í mars 2021 þróuðu Ashvin Vishwanath við Harvard háskólann og samstarfsmenn hans kenningu um ofurleiðni í snúnu grafeni byggða á hálfögnum sem kallast skyrmions, sem birtast sem segulhringir. Vísindamenn við Princeton háskólann greindu frá slíkum skyrmjónum í desember. Síðan, fyrr á þessu ári, uppgötvaði Jarillo-Herrero ofurleiðni í kerfum með þremur lögum af grafeni , niðurstaða sem er endurtekin sjálfstætt af hópi undir forystu Philip Kim við Harvard háskóla. Teymi Jarillo-Herrero hefur síðan sýnt að eignin er jafnvel til í fjögurra og fimm laga kerfum.

„Okkur hefur tekist að átta okkur á nánast öllum stigum eðlisfræði þétts efnis, allt á nokkrum árum og með því að sameina mjög einföld efni,“ segir Jarillo-Herrero. „Þetta er alveg ótrúlegt þegar maður hugsar um það.

Árangurinn er þeim mun áhrifameiri þegar þú hefur í huga hvað þarf til að framleiða töfrahornsgrafén í fyrsta lagi. Venjulega tekur hópur Jarillo-Herrero flögu af sexhyrndu bórnítríði (hBN) – svo nefnt vegna þess að það hefur sömu hunangsseimubyggingu og grafen – það er um það bil 10 milljónustu til 30 milljónustu úr millimetra þykkt. Þeir nota þetta sem eins konar límband til að fjarlægja eitt lag af grafeni úr grafíti. Síðan geta þeir dregið af sér annað lag, snúið örlítið miðað við það fyrra með því að breyta hBN flögunni handvirkt, áður en þeim er bætt við íhlutunum sem þarf til að taka rafmagnsmælingar.

Vandamálið er að það er afskaplega erfitt að endurskapa þessi mannvirki. „Eðliseiginleikar moire-kerfis geta breyst með smávægilegum breytingum á snúningshorni,“ segir Jarillo-Herrero. Yacoby viðurkennir líka að ef ég væri beðinn um að búa til tvö eins tæki, „myndi ég eiga í erfiðleikum með að gera það“. Að auki segir hann að þessi kerfi gætu ekki verið stöðug. „Það er mikið álag og röskun og frumeindir hreyfast til að finna þægilegustu stöðuna.

Það er hins vegar valkostur sem kemst í kringum þessi vandamál, því hann byggir alls ekki á töfrahornum. Tvö blöð af mismunandi efnum með örlítið mismunandi bili á milli atómanna geta einnig búið til moire grindur. Hin svokölluðu umbreytingarmálmdíkalkógeníð (TMD), eins og wolfram tvísúlfíð og wolframdíseleníð, mynda einnig sexhyrnt tengd lög og bjóða upp á margar umbreytingar þar sem tvö (eða fleiri) lögin eru gerð úr mismunandi efnum. Fyrir wolframdísúlfíð og wolframdíseleníð, til dæmis, er 4 prósent misræmi í lotubili þeirra, sem framleiðir moire mynstur sem endurtekur sig á 8 nanómetra fresti.

Kin Fai Mak við Cornell háskólann í Ithaca, New York, segir að vegna þess að TMD tvílög séu ekki háð töfrahornum og séu því ekki viðkvæm fyrir litlum breytingum á snúningshorni, séu tilraunir á þeim mun endurtakanlegri. Hann og samstarfsmaður hans Jie Shan , einnig hjá Cornell, hafa tekið höndum saman við MacDonald til að sýna fram á að moire-kerfi úr wolframdísúlfíði og wolframdiseleníði er hægt að nota til að kanna alls kyns fylgni rafeindahegðun með því að virka sem líkamleg hliðstæða vinsælustu líkan sem notað er til að lýsa þeim: „Hubbard líkanið“ .

Hubbard-líkanið er nefnt eftir eðlisfræðingnum John Hubbard, sem lagði það til árið 1963, og brýtur niður rafeindaorku í aðeins tvo þætti sem stuðla að – hreyfiorku þeirra og orku samskipta þeirra. Það hefur verið vinsælt til að rannsaka Mott einangrunarefni, ofurleiðara – sérstaklega cuprates – og pantað segulkerfi. Samt, þrátt fyrir allan töfrandi einfaldleikann, er það svo erfitt að vinna með stærðfræðilega að nákvæm lausn á jöfnunum í líkaninu er enn aðeins til fyrir einvíddar kerfi.

Góðu fréttirnar eru þær að „þessi moire-efni eru nánast fullkomin kortlagning á [Hubbard-líkaninu],“ segir MacDonald. Með því að breyta spennunni sem beitt er á TMD tvílaga sýnishornið þeirra, gætu Mak og Shan gert margvíslega efnishegðun sem líkanið spáir fyrir um, svo sem umskiptin á milli járnsegulsástands og andferromagnetic ástands, þar sem atómsnúningarnir skiptast á í stefnu. Í stað flókins útreiknings gætu þeir ályktað hvað líkanið spáir fyrir um með tilraun.

MacDonald segir að við getum ekki verið fullviss um hvað þessi moire-kerfi muni leiða í ljós. Þrátt fyrir það er hann varlega bjartsýnn á framfarirnar sem við getum búist við þegar kemur að því að skilja ofurleiðni grafens með töfrahorni. „Þessi framfarir munu hafa áhrif á skilning á ofurleiðni háhita,“ segir hann.

Við ættum að búast við einhverju á óvart. Upphafleg uppgötvun Jarillo-Herrero á ofurleiðni í þessum kerfum kom algjörlega út í bláinn. Og þrátt fyrir framfarirnar á árunum síðan, fullyrðir hann að „við höfum varla klórað yfirborðið af mörgum hundruðum moire-kerfa sem við getum byggt upp, með mjög mismunandi efnisþáttum, rúmfræði og margbreytileika“. Þetta eru fyrstu skref okkar inn í óþekkt landslag möguleika.

Visiris hljóð
Þú getur nú hlustað á margar greinar – leitaðu að heyrnartólatákninu í appinu okkar