Naujos išvados gali padėti sukurti galingesnes MRT mašinas arba galingus kvantinius kompiuterius.

Masačusetso technologijos instituto fizikai pastebėjo retos rūšies superlaidumo požymius medžiagoje, vadinamoje magijos kampu susuktu trijų sluoksnių grafenu. Pasirodžiusiame tyrime gamtaTyrėjai praneša, kad medžiaga pasižymi superlaidumu stebėtinai dideliuose magnetiniuose laukuose iki 10 Tesla, o tai yra tris kartus daugiau, nei tikimasi, kad medžiaga atlaikytų, jei tai būtų įprastas superlaidininkas.

Rezultatai tvirtai rodo, kad stebuklingas trijų sluoksnių grafenas, kurį iš pradžių atrado ta pati grupė, yra labai retas superlaidininkų tipas, žinomas kaip „nugaros tripletas“, nepralaidus dideliems magnetiniams laukams. Tokie egzotiški superlaidininkai galėtų labai patobulinti tokias technologijas kaip magnetinio rezonanso vaizdavimas, kai superlaidūs laidai, esantys po magnetiniu lauku, rezonuoja su biologiniais audiniais ir juos vaizduoja. MRT aparatai šiuo metu apsiriboja magnetiniais laukais nuo 1 iki 3 Tesla. Jei juos būtų galima pastatyti naudojant trigubo sukimo superlaidininkus, MRT galėtų veikti esant aukštesniems magnetiniams laukams, kad būtų aiškesni ir gilesni žmogaus kūno vaizdai.

Nauji trigubo sukinio superlaidumo faktoriai trigubo sluoksnio grafene taip pat gali padėti mokslininkams suprojektuoti stipresnius superlaidininkus praktiniam kvantiniam skaičiavimui.

„Šio eksperimento vertė yra tai, ko jis mus moko apie pagrindinį superlaidumą ir kaip gali elgtis medžiagos, kad išmokę pamokų galėtume pabandyti sukurti kitų medžiagų, kurias lengviau pagaminti, principus, o galbūt tai suteiks jums geresnį superlaidumą “, – sako Pablo Jarillo Herrero, profesorius fizikas Cecilas ir Ida Greenas iš Masačusetso technologijos instituto.

Jo bendraautoriai yra doktorantė Yuan Kao ir magistrantas Jeong Min Parkas MIT, Kenji Watanabe ir Takashi Taniguchi iš Nacionalinio medžiagų mokslo instituto Japonijoje.

keista transformacija

Superlaidžiąsias medžiagas apibūdina jų labai efektyvus gebėjimas praleisti elektrą neprarandant energijos. Veikiami elektros srovės, superlaidininko elektronai susiporuoja „kooperatorių poromis“, kurios paskui be pasipriešinimo keliauja per medžiagą kaip keleiviai greitame traukinyje.

Daugumoje superlaidininkų šios keleivių poros sukasi priešingai, vienas elektronas sukasi aukštyn, o kitas žemyn – konfigūracija, vadinama „vienaskaitos sukiniu“. Šias poras pagreitina superlaidininkas, išskyrus didelius magnetinius laukus, kurie gali perkelti kiekvieno elektrono energiją priešingomis kryptimis, atskirdami porą vienas nuo kito. Tokiu būdu ir per mechanizmus dideli magnetiniai laukai gali sutrikdyti superlaidumą įprastuose sukimosi superlaidininkuose.

„Tai yra pagrindinė priežastis, kodėl superlaidumas išnyksta pakankamai dideliame magnetiniame lauke“, – sako Parkas.

Tačiau yra keletas keistų superlaidininkų, kurių neveikia magnetiniai laukai, net ir labai dideli. Šios medžiagos superlaidžios per elektronų poras, turinčias tą patį sukimąsi – savybę, vadinamą „trigubu sukimu“. Veikiant dideliems magnetiniams laukams, Cooperio poroje esančių abiejų elektronų energija pasislenka ta pačia kryptimi taip, kad jie nebūtų atskirti vienas nuo kito, o toliau be suprojektuoto superlaidumo, neatsižvelgdami į magnetinio lauko stiprumą.

Jarillo-Herrero grupei buvo įdomu, ar trigubas maginio kampo grafenas gali padėti suprasti neįprastą trigubo sukimo superlaidumą. Komanda parengė novatorišką darbą, tyrinėdama grafeno muaro struktūras – atomų plonų anglies grotelių sluoksnius, kurie, sukrauti tam tikrais kampais, gali sukelti stebėtiną elektroninį elgesį.

Tyrėjai iš pradžių pranešė apie tokias savybes dviejuose kampuotuose grafeno lakštuose, kuriuos jie pavadino stebuklingu dvigubu grafenu. Netrukus jie atliko trijų sluoksnių grafeno bandymus – trijų grafeno lakštų sumuštinį formavimąsi, kuris pasirodė esąs stipresnis už dviejų sluoksnių analogą, išlaikydamas superlaidumą esant aukštesnei temperatūrai. Kai tyrėjai pritaikė kuklų magnetinį lauką, jie pastebėjo, kad trijų sluoksnių grafenas sugeba superlaidžiai veikti esant lauko stiprumui, kuris sunaikins superlaidumą dvisluoksnyje grafene.

„Manėme, kad tai labai keistas dalykas“, – sako Jarilo Herrero.

stebuklingas sugrįžimas

Savo naujame tyrime fizikai išbandė trijų sluoksnių grafeno superlaidumą esant vis didesniems magnetiniams laukams. Jie gamino medžiagą iš grafito luito nušveisdami plonus anglies sluoksnius, sukraunami tris sluoksnius ir sukdami vidurinį sluoksnį 1,56 laipsnio kampu išorinių sluoksnių atžvilgiu. Jie pritvirtino elektrodą prie abiejų medžiagos galų, kad eitų per jį srovė ir matuotų bet kokią proceso metu prarastą energiją. Tada jie laboratorijoje įjungė didelį magnetą, kurio lauką jie nukreipė lygiagrečiai medžiagai.

Padidinę magnetinį lauką aplink trijų sluoksnių grafeną, jie pastebėjo, kad superlaidumas prieš išnykdamas laikėsi gana stipriai, bet vėliau vėl pasirodė intriguojantis esant didesnėms lauko stiprybėms – labai neįprastas atgimimas, kurio, kaip žinoma, neįvyko įprasti superlaidininkai.

„Vieno sukimo superlaidininkuose, jei nužudote superlaidumą, jis niekada nebegrįžta – jis dingo amžinai“, – sako Kao. „Čia jis vėl pasirodė. Taigi tai tikrai rodo, kad ši medžiaga nėra vienas kūrinys.”

Jie taip pat pažymėjo, kad po „pakartotinio įėjimo“ superlaidumas išliko iki 10 Tesla – didžiausio lauko stiprumo, kurį galėjo sukelti laboratorijos magnetas. Tai yra maždaug tris kartus didesnė už tą, kurią superlaidininkas turėtų atlaikyti, jei tai būtų įprastas sukimo singlas, pagal Pauli ribą – teoriją, kuri numato maksimalų magnetinį lauką, kuriame medžiaga gali išlaikyti superlaidumą.

Trisluoksnio grafeno superlaidumo išvaizda kartu su stabilumu didesniuose nei tikėtasi magnetiniuose laukuose atmeta galimybę, kad medžiaga yra įprastas superlaidininkas. Vietoj to greičiausiai tai bus labai retos, tikriausiai, trigubos rūšys, kuriose gyvena Cooperio poros, kurios greitėja per medžiagą, nepralaidžios dideliems magnetiniams laukams. Komanda planuoja gilintis į medžiagą, kad patvirtintų tikslią sukimosi būseną, kuri galėtų padėti sukurti galingesnius MRT ir galingesnius kvantinius kompiuterius.

„Reguliarus kvantinis skaičiavimas yra labai trapus“, – sako Jarillo Herrero. „Pažvelgi į jį ir jis dingsta homo. Maždaug prieš 20 metų teoretikai pasiūlė topologinio superlaidumo tipą, kurį, jei būtų pasiekta bet kurioje medžiagoje, būtų galima [enable] Kvantinis kompiuteris, kuriame už skaičiavimą atsakingos būsenos yra labai galingos. Tai suteiktų daugiau begalinės galios atlikti skaičiavimus. Pagrindinis komponentas, apie kurį reikia žinoti, yra tam tikro tipo trigubo sukimo superlaidininkai. Mes neįsivaizduojame, ar mūsų rūšis tokia. Bet net jei taip nebūtų, tai galėtų padėti įdėti trijų sluoksnių grafeną su kitomis medžiagomis, kad suprojektuotų tokio tipo superlaidumą. Tai gali būti puikus įsilaužimas. Bet vis dar per anksti “.

Nuoroda: „Pauli ribos pažeidimas ir superlaidumo vėl įvedimas į banguotą grafeną“. Yuan Kao, Jeong Min parkas, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi ir Pablo Jarillo-Herrero, 2021 m. Liepos 21 d., gamta.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-m

Šį tyrimą rėmė JAV energetikos departamentas, Nacionalinis mokslo fondas, Gordono ir Betty Moore fondai, Ramono Arrequeso fondas ir Sevare kvantinių medžiagų programa.