Sains

Twisted Graphene mengungkapkan superkonduktivitas eksotis

Fisikawan dan kolaborator mereka telah secara langsung mengamati dan mengendalikan pola double-dome superkonduktivitas yang langka dalam graphene trilayer yang dipelintir, menjelaskan bagaimana keadaan kuantum yang eksotis muncul dan berinteraksi dalam bahan rekayasa.

Superkonduktivitas adalah fenomena di mana bahan -bahan tertentu dapat menghantarkan listrik dengan resistensi nol. Jelas, ini memiliki keunggulan teknologi yang sangat besar, yang menjadikan superkonduktivitas salah satu bidang penelitian yang paling intens di dunia.

Kubah ganda

Tapi superkonduktivitas tidak mudah. Ambil, misalnya, efek kubah ganda. Ketika para ilmuwan plot di mana superkonduktivitas muncul dalam materi karena mereka mengubah berapa banyak elektron di dalamnya, daerah superkonduktor material terkadang terlihat seperti dua “kubah” terpisah pada grafik.

Dengan kata lain, materi menjadi superkonduktor, kemudian berhenti, kemudian menjadi superkonduktor lagi saat kita terus mengubah kepadatan elektronnya.

Koneksi graphene

Superkonduktivitas kubah ganda telah terlihat sebelumnya dalam beberapa bahan kompleks, seperti graphene. Graphene pada dasarnya adalah selembar atom karbon hanya satu atom tebal yang dihubungkan bersama dalam pola sarang lebah. Namun, ia telah mengubah bidang penelitian material kuantum karena fitur beberapa efek yang sangat aneh.

Misalnya, ketika kita menumpuk dua lapisan graphene dan memelintirnya pada sudut tertentu, elektron dalam graphene berperilaku dengan cara yang baru dan tidak terduga, menciptakan fase kuantum seperti magnet, isolasi listrik, dan, tentu saja, superkonduktivitas.

Tetapi ada struktur graphene yang lebih complext yang mengambil ini lebih jauh dengan menambahkan lapisan ketiga, membuat sistem lebih kompleks dan merdu: magic-sudut trilayer graphene (MattG). Dengan MattG, para peneliti sekarang dapat mengamati dan mengontrol pola kubah double superkonduktivitas yang sebelumnya hanya dicurigai dalam sistem graphene.

Superkondiktivitas kubah ganda dalam graphene bengkok

Sekarang, sebuah tim yang dipimpin oleh Mitali Banerjee di EPFL, bersama dengan mitra di Swiss, Inggris, dan Jepang, telah menunjukkan bahwa MattG memungkinkan kontrol langsung dari pola superkonduktivitas kubah ganda. Dengan menumpuk lapisan dengan hati-hati dan menyesuaikan medan listrik, para peneliti dapat menyempurnakan sistem dan melacak di mana superkonduktivitas muncul atau menghilang karena mereka memvariasikan jumlah elektron.

Eksperimen mereka, didukung oleh teori, mengungkapkan bahwa dua daerah superkonduktor yang berbeda-domes-show naik ketika mereka secara bertahap mengubah jumlah elektron di MattG. Pekerjaan ini menjelaskan bagaimana superkonduktivitas yang tidak konvensional dapat dibuat dan dikendalikan dalam bahan 2D.

Para peneliti membangun perangkat yang terdiri dari tiga lapisan graphene, ditumpuk sehingga yang tengah dipelintir sekitar 1,55 derajat relatif terhadap yang lain. Mereka menempatkan tumpukan antara lapisan tipis isolasi boron nitrida heksagonal, kemudian menambahkan elektroda dan gerbang untuk secara tepat mengontrol kepadatan elektron dan menerapkan “medan perpindahan” listrik, yang memungkinkan para peneliti menyesuaikan bagaimana elektron bergerak dalam material, memungkinkan untuk menghidupkan atau mematikan para peneliti.

Para ilmuwan kemudian mengukur bagaimana resistensi MattG berubah karena mereka memvariasikan kepadatan elektron, medan magnet, dan menerapkan arus pada suhu yang dekat dengan nol absolut (100 millikelvin). Ini memungkinkan mereka untuk memetakan daerah di mana superkonduktivitas muncul.

Dengan menyetel bidang perpindahan, mereka selanjutnya dapat menyetel struktur pita material (himpunan aturan yang menentukan bagaimana elektron dapat bergerak dan berperilaku di dalam materi), membiarkan mereka mengontrol kemunculan dan hilangnya pola kubah ganda.

Tim mengamati bahwa superkonduktivitas dalam graphene trilayer bengkok tidak membentuk satu daerah yang halus melainkan membagi menjadi dua kubah terpisah saat kerapatan elektron disetel. Antara kubah, superkonduktivitas sangat ditekan, menunjukkan kemungkinan persaingan atau perubahan dalam mekanisme pasangan yang mendasarinya.

Setiap kubah menampilkan fitur -fitur unik: satu sisi menunjukkan sakelar yang lebih tajam dan mendadak ke dalam keadaan superkonduktor, dan pengukuran menunjukkan semacam “memori” dalam bagaimana material menanggapi arus listrik: bagaimana reaksi terhadap peningkatan arus tidak sama dengan bagaimana reaksi terhadap penurunan arus. Kubah lain memiliki transisi yang lebih lembut dan lebih lambat ke superkonduktivitas tanpa bukti “memori”.

Para peneliti mengembangkan pekerjaan teoritis (perhitungan Hartree-Fock) untuk menafsirkan temuan eksperimental mereka, menunjukkan bahwa perubahan halus dalam bagaimana elektron mengatur diri mereka sendiri, yang dibentuk oleh interaksi dan bidang perpindahan yang diterapkan, menentukan di mana superkonduktivitas disukai. Data menunjuk ke berbagai jenis pemasangan elektron di dua kubah, mungkin terkait dengan perubahan dalam “urutan” elektronik dari sistem.

Studi ini menyoroti MattG sebagai sistem pertama di mana superkonduktivitas kubah ganda dapat secara langsung dikontrol oleh medan listrik. Ini menawarkan cara baru untuk mempelajari bagaimana superkonduktivitas yang tidak konvensional muncul dan bagaimana hal itu dapat disetel, membuka kemungkinan untuk merancang perangkat kuantum atau mengeksplorasi keadaan baru materi dalam bahan rekayasa.

Referensi

Zekang Zhou, Jin Jiang, Paritosh Karnatak, Ziwei Wang, Glenn Wagner, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Christian Schönenberger, SA Parameswaran, Steven H. Simon, Mitali Banerjee. Superkonduktivitas kubah double-tunable dalam graphene trilayer bengkok. Fisika Alam 30 September 2025: doi: 10.1038/s41567-025-03040-2

Source

Related Articles

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *

Back to top button