O tastatură materială realizată din grafen

Tastatură materială realizată de cercetătorii ETH Zurich. Prin aplicarea tensiunilor electrice („comutatoare”) în diferite puncte, grafenul cu un unghi magic poate deveni local supraconductor (perechi de electroni) sau izolator (barieră în dreapta). Credit: ETH Zurich / F. de Vries

Cercetătorii de la ETH Zurich au reușit să revină special pregătiți grafen fulgi fie în izolator, fie în supraconductor prin aplicarea unei tensiuni electrice. Această tehnică funcționează și la nivel local, ceea ce înseamnă că în aceleași regiuni pot fi realizați flancuri de grafen cu proprietăți fizice complet diferite unul lângă altul.

Producția de componente electronice moderne necesită materiale cu proprietăți foarte diferite. Există, de exemplu, izolatori care nu conduc electricitatea și supraconductori care îl transportă fără pierderi. Pentru a obține o anumită funcționalitate a unei componente, este de obicei necesar să combinați mai multe astfel de materiale împreună. De multe ori acest lucru nu este ușor, mai ales atunci când este vorba de nanostructuri care sunt utilizate pe scară largă astăzi.

O echipă de cercetători de la ETH Zurich condusă de Klaus Ensslin și Thomas Ihn de la Laboratorul pentru fizica statelor solide au reușit acum să facă un material să se comporte alternativ ca izolator sau ca superconductor – sau chiar ca ambele în locuri diferite pe același material – pur și simplu prin aplicarea unei tensiuni electrice. Rezultatele lor au fost publicate în revista științifică Nanotehnologia naturii. Lucrarea a fost susținută de Centrul Național de Cercetare Competență QSIT (Quantum Science and Technology).

Grafen cu unghi magic

Materialul folosit de Ensslin și colaboratorii săi poartă denumirea oarecum grea „Angry Graphene Magic Corner”. De fapt, acest nume ascunde ceva destul de simplu și familiar, și anume carbonul – deși într-o formă specială și cu o întorsătură specială. Punctul de plecare pentru material este tijele de grafen, care sunt straturi de carbon care sunt doar una atom gros Cercetătorii au plasat două dintre aceste straturi una peste alta în așa fel încât axele lor de cristal să nu fie paralele, ci să facă un „unghi magic” de exact 1,06 grade. „Acest lucru este destul de complicat și trebuie, de asemenea, să controlăm cu precizie temperatura fulgilor în timpul producției. Ca urmare, de multe ori merge prost ”, explică Peter Rickhaus, care a fost implicat în experimente ca postdoc.

Cu toate acestea, la douăzeci la sută din efort, rețeaua cristalină atomică a fulgilor de grafen funcționează și creând un așa-numit model moiré în care electronii materialului se comportă diferit decât în ​​grafenul obișnuit. Modelele Moiré sunt populare cu televiziunea, de exemplu, unde interacțiunea dintre o ținută modelată și liniile de scanare a imaginii de televiziune poate duce la efecte optice interesante. În partea de sus a secarei de secară cu grafen magic, cercetătorii atașează mai mulți electrozi suplimentari pe care îi pot folosi pentru a aplica o tensiune electrică materialului. Când calmează apoi totul cu câteva sutimi de grad mai sus zero absolut, se întâmplă ceva extraordinar. În funcție de tensiunea aplicată, tijele de grafen se comportă în două moduri complet opuse: fie ca superconductor, fie ca izolator. Această superconductivitate transmisibilă a fost deja demonstrată în 2018 la Institutul de Tehnologie din Massachusetts (cu) in Statele Unite ale Americii. Chiar și astăzi, doar câteva grupuri din întreaga lume sunt capabile să producă astfel de probe.

Trecerea lui Josephson

Imagine a microscopului electronic de joncțiune Josephson (culori false). Folosind electrozi (auriu strălucitor și întunecat) ca taste de pian, se poate crea un strat izolant de numai 100 nanometri gros între cele două regiuni supraconductoare. Credit: ETH Zurich / F. de Vries

Izolator și supraconductor în același material

Ensslin și colegii săi fac acum un pas mai departe. Aplicând diferite tensiuni electrozilor individuali, aceștia transformă grafenul unghiular magic într-un izolator într-un singur loc, dar câteva sute de nanometri pe o parte devin un superconductor.

„Când am văzut-o, evident că am încercat mai întâi să facem o intersecție Josephson”, spune Focko de Vries, care este și postdoctor la laboratorul Ensslins. La astfel de joncțiuni, doi supraconductori sunt separați de un strat subțire izolator. În acest fel, curentul nu poate curge direct între cei doi supraconductori, ci trebuie să tuneleze cuantica mecanic prin izolator. Acest lucru, la rândul său, face ca conductivitatea contactului să se schimbe în funcție de curent într-un mod caracteristic, în funcție de utilizarea curentului continuu sau alternativ.

Posibile aplicații în tehnologiile cuantice

Cercetătorii ETH au reușit să producă o joncțiune Josephson în interiorul fulgilor de grafen răsucite din unghiul magic folosind diferite tensiuni aplicate celor trei electrozi și, de asemenea, pentru a măsura proprietățile acestuia. „Acum că acest lucru a funcționat, putem încerca mâna pe dispozitive mai complexe, cum ar fi SQUID-urile”, spune de Vries. În SQUID-uri („dispozitive cu interferențe cuantice supraconductoare”) două joncțiuni Josephson sunt conectate pentru a forma un inel. Aplicațiile practice ale acestor dispozitive includ măsurători ale câmpurilor magnetice mici, dar și tehnologii moderne, cum ar fi computerele cuantice. Pentru posibile aplicații în calculatoarele cuantice, un aspect interesant este acela că, cu ajutorul electrozilor, filamentele de grafen pot fi transformate nu numai în izolatori și supraconductori, ci și în magneți sau așa-numiții izolatori topologici, în care curentul poate circula doar într-o singură direcție de-a lungul marginea materialului. Aceasta poate fi utilizată pentru a realiza diferite tipuri de biți cuantici pe un singur dispozitiv.

O tastatură pentru materiale

„Până acum, totuși, aceasta este doar speculații”, spune Ensslin. Totuși, este entuziasmat de oportunitățile care ies din controlul electric chiar și acum. “Cu electrozi, putem cânta practic la pian în grafen.” Printre altele, fizicienii speră că acest lucru îi va ajuta să dobândească noi cunoștințe în mecanismele detaliate care determină superconductivitatea în grafen cu un unghi magic.

Referință: „Josephson Defined Intersections in the Two-Layer Graph Twisted by Magic Angle” de Folkert K. de Vries, Elías Portolés, Giulia Zheng, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Thomas Ihn, Klaus Ensslin și Peter Rickhaus, 3 mai 2021, Nanotehnologia naturii.
DOI: 10.1038 / s41565-021-00896-2

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.