Fyzici změřili klíčový aspekt supravodivosti v grafenu s „magickým úhlem“

Supravodivé materiály jsou podobné jako jízdní pruh pro sdílenou jízdu na přetížené dálnici. Stejně jako spolucestující, kteří jedou společně, se elektrony, které se spárují, mohou vyhnout běžnému provozu a pohybovat se materiálem bez tření.

Ale stejně jako u sdílené jízdy závisí na řadě podmínek, jak snadno se mohou páry elektronů pohybovat, včetně hustoty párů, které se materiálem pohybují. Tato „superfluidní tuhost“, neboli snadnost, s jakou může proudit proud elektronových párů, je klíčovým měřítkem supravodivosti materiálu.

Fyzici z MIT a Harvardovy univerzity nyní poprvé přímo změřili superfluidní tuhost v grafenu s „magickým úhlem“ – materiálech, které jsou vyrobeny ze dvou nebo více atomárně tenkých vrstev grafenu zkroucených vzhledem k sobě navzájem pod správným úhlem, aby bylo možné dosáhnout mnoha výjimečných vlastností, včetně nekonvenční supravodivosti.

Tato supravodivost činí z grafenu s magickým úhlem slibný stavební blok pro budoucí kvantové počítačové zařízení, ale přesně to, jak materiál supravodivý je, není dobře známo. Znalost superfluidní tuhosti materiálu pomůže vědcům identifikovat mechanismus supravodivosti v grafenu s magickým úhlem.

Měření týmu naznačují, že supravodivost grafenu s magickým úhlem je primárně řízena kvantovou geometrií, která se vztahuje k koncepčnímu „tvaru“ kvantových stavů, které mohou existovat v daném materiálu.

Výsledky, které jsou uvedeny v dnešním čísle časopisu Nature, představují poprvé, kdy vědci přímo změřili superfluidní tuhost v dvojrozměrném materiálu. Za tímto účelem tým vyvinul novou experimentální metodu, která se nyní může použít k provádění podobných měření dalších dvojrozměrných supravodivých materiálů.

„Existuje celá řada 2D supravodičů, které čekají na prozkoumání, a my se teprve začínáme dotýkat povrchu,“ říká spoluautor studie Joel Wang, vědecký pracovník v MIT Research Laboratory of Electronics (RLE).

Mezi spoluautory studie z hlavní kampusu MIT a MIT Lincoln Laboratory patří spoluautor a bývalý postdoktorand RLE Miuko Tanaka, stejně jako Thao Dinh, Daniel Rodan-Legrain, Sameia Zaman, Max Hays, Bharath Kannan, Aziza Almanakly, David Kim, Bethany Niedzielski, Kyle Serniak, Mollie Schwartz, Jeffrey Grover, Terry Orlando, Simon Gustavsson, Pablo Jarillo-Herrero a William D. Oliver, spolu s Kenjim Watanabe a Takashim Taniguchim z Národního institutu pro materiálové vědy v Japonsku.

Magická rezonance

Od první izolace a charakterizace v roce 2004 se grafen ukázal být jakousi zázračnou látkou. Materiál je ve skutečnosti jedinou atomárně tenkou vrstvou grafitu, která se skládá z přesné mřížky atomů uhlíku připomínající drátěný plot. Tato jednoduchá konfigurace může vykazovat řadu špičkových vlastností, pokud jde o pevnost, odolnost a schopnost vést elektřinu a teplo.

V roce 2018 Jarillo-Herrero a jeho kolegové zjistili, že když jsou dvě vrstvy grafenu naskládány na sebe pod přesným „magickým“ úhlem, zkroucená struktura – nyní známá jako zkroucený dvojvrstvý grafen s magickým úhlem, neboli MTG – vykazuje zcela nové vlastnosti, včetně supravodivosti, při které se elektrony spárují, místo aby se odpuzovaly, jak tomu je u běžných materiálů. Tyto tzv. Cooperovy páry mohou tvořit superfluidum s potenciálem supravodivosti, což znamená, že by se mohly pohybovat materiálem jako bezproblémový, beztřecí proud.

„Ale i když Cooperovy páry nemají žádný odpor, musíte použít určitý tlak ve formě elektrického pole, abyste dostali proud do pohybu,“ vysvětluje Wang. „Superfluidní tuhost označuje, jak snadné je tyto částice dostat do pohybu, aby se řídila supravodivost.“

Dnes mohou vědci měřit superfluidní tuhost v supravodivých materiálech metodami, které obecně zahrnují umístění materiálu do mikrovlnného rezonátoru – zařízení, které má charakteristickou rezonanční frekvenci, při které bude elektrický signál oscilovat na mikrovlnných frekvencích, podobně jako vibrující houslové struny. Pokud je supravodivý materiál umístěn do mikrovlnného rezonátoru, může změnit rezonanční frekvenci zařízení a zejména jeho „kinetickou indukčnost“ o množství, které vědci mohou přímo vztahovat k superfluidní tuhosti materiálu.

Avšak doposud byly takové přístupy kompatibilní pouze s velkými, silnými vzorky materiálu. Tým MIT si uvědomil, že měření superfluidní tuhosti v atomárně tenkých materiálech, jako je MTG, bude vyžadovat nový přístup.

„Ve srovnání s MTG je typický supravodič, který se zkoumá pomocí rezonátorů, 10 až 100krát silnější a větší plochy,“ říká Wang. „Nevěděli jsme, zda takový malý materiál vůbec vygeneruje nějakou měřitelnou indukčnost.“

Zachycený signál

Problém s měřením superfluidní tuhosti v MTG souvisí s co nejplynulejším připojením nesmírně jemného materiálu k povrchu mikrovlnného rezonátoru.

„Aby to fungovalo, chcete vytvořit ideálně bezeztrátový – tj. supravodivý – kontakt mezi oběma materiály,“ vysvětluje Wang. „Jinak se mikrovlnný signál, který pošlete, zhorší nebo se dokonce odrazí, místo aby šel do vašeho cílového materiálu.“

Oliverova skupina na MIT vyvíjí techniky pro přesné připojení extrémně jemných dvojrozměrných materiálů s cílem vytvářet nové typy kvantových bitů pro budoucí kvantové počítačové zařízení. Pro svou novou studii Tanaka, Wang a jejich kolegové aplikovali tyto techniky pro bezproblémové připojení malého vzorku MTG na konec hliníkového mikrovlnného rezonátoru. Za tímto účelem skupina nejprve použila konvenční metody pro sestavení MTG a poté strukturu vložila mezi dvě izolační vrstvy šestihranného nitridu boru, aby pomohla udržet atomární strukturu a vlastnosti MTG.

„Hliník je materiál, který pravidelně používáme v našem výzkumu supravodivého kvantového počítání, například hliníkové rezonátory pro odečítání hliníkových kvantových bitů (qubitů),“ vysvětluje Oliver. „Takže jsme si mysleli, proč nevyrobit většinu rezonátoru z hliníku, což je pro nás relativně jednoduché, a pak přidat trochu MTG na jeho konec? Ukázalo se, že to byl dobrý nápad.“

„Abychom kontaktovali MTG, velmi ostře jej leptáme, jako bychom krájeli vrstvy dortu velmi ostrým nožem,“ říká Wang. „Odhalíme stranu čerstvě nakrájeného MTG, na kterou pak naneseme hliník – stejný materiál jako rezonátor – abychom vytvořili dobrý kontakt a vytvořili hliníkový vodič.“

Výzkumníci poté spojili hliníkové vodiče struktury MTG s větším hliníkovým mikrovlnným rezonátorem. Poslali mikrovlnný signál rezonátorem a změřili výsledný posun jeho rezonanční frekvence, z čehož mohli odvodit kinetickou indukčnost MTG.

Když však vědci převedli naměřenou indukčnost na hodnotu superfluidní tuhosti, zjistili, že je mnohem větší, než by předpovídaly konvenční teorie supravodivosti. Tušili, že přebytek souvisí s kvantovou geometrií MTG – způsobem, jakým se kvantové stavy elektronů korelují navzájem.

„Viděli jsme desetinásobné zvýšení superfluidní tuhosti ve srovnání s konvenčními očekáváními, s teplotní závislostí v souladu s tím, co předpovídá teorie kvantové geometrie,“ říká Tanaka. „To byl „kouřový signál“, který poukazoval na roli kvantové geometrie při řízení superfluidní tuhosti v tomto dvourozměrném materiálu.“

„Tato práce představuje skvělý příklad toho, jak lze použít sofistikovanou kvantovou technologii, která se v současné době používá v kvantových obvodech, k vyšetřování systémů kondenzované hmoty sestávajících ze silně interagujících částic,“ dodává Jarillo-Herrero.

Tento výzkum byl částečně financován americkým armádním výzkumným úřadem, Národní vědeckou nadací, americkým úřadem letectva pro vědecký výzkum a americkým podtajemníkem obrany pro výzkum a vývoj.

Doplňková studie o zkrouceném trojvrstvém grafenu s magickým úhlem (MTTG), provedená ve spolupráci mezi skupinou Philippa Kima na Harvardově univerzitě a skupinou Jarillo-Herrera na MIT, se objevuje ve stejném čísle časopisu Nature.