Los físicos del MIT han descubierto que un grafeno de tres capas con un «ángulo mágico» puede ser un superconductor magnético poco común.

Los físicos del MIT han notado un tipo raro de signo de superconductividad en un material llamado «ángulo mágico» de grafeno retorcido de tres capas. Préstamo Atentamente, Pablo ar Arillo-Herrero, Yuan Cao, ong yong Min Park և etc.

Los nuevos descubrimientos podrían ayudar a informar el diseño de máquinas de resonancia magnética más potentes o computadoras cuánticas robustas.

Los físicos del MIT han notado un raro signo de superconductividad en una sustancia llamada grafeno de tres capas retorcida con un ángulo mágico. En el estudio Naturaleza:Los investigadores informan que el material exhibe una superconductividad de hasta 10 Tesla en campos magnéticos sorprendentemente altos, que es tres veces más alto de lo previsto para que el material resista si fuera un superconductor convencional.

Los resultados sugieren claramente que el grafeno de tres capas con un ángulo mágico, descubierto por primera vez por el mismo grupo, es un tipo muy raro de superconductor conocido como «triplete giratorio» que es impermeable a los campos magnéticos elevados. Estos superconductores exóticos pueden mejorar significativamente tecnologías como la resonancia magnética, que utiliza cables superconductores bajo un campo magnético para resonar en la imagen del tejido biológico. Los dispositivos de resonancia magnética están actualmente limitados a campos magnéticos de 1 a 3 Tesla. Si pudieran construirse con transmisores giratorios de tres vías, la resonancia magnética podría operar bajo campos magnéticos más altos, creando imágenes más nítidas y profundas del cuerpo humano.

La nueva evidencia de superconductividad de triple espín en el grafeno de tres capas también podría ayudar a los científicos a diseñar superconductores más fuertes para la computación cuántica práctica.

«El valor de esta experiencia es lo que nos enseña sobre la superconductividad básica, cómo se pueden manipular los materiales, de modo que a través de estas lecciones podamos intentar diseñar principios de producción más fáciles para otros materiales que puedan brindarle mejores resultados». «Superconductividad», dijo Pablo Arrillo-Herrero, profesor de física en el MIT Cecil J. Ida Green.

Fue coautor del artículo con el Dr. Yuan Kao, estudiante de doctorado Je Jeong Min Park en MIT, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales.

Cambio extraño

Los materiales superconductores están determinados por su capacidad supereficiente para suministrar electricidad sin perder energía. Bajo la influencia de la corriente eléctrica, los electrones de un par superconductor se acumulan en «pares de Cooper», que luego atraviesan el material sin resistencia, como en un tren de alta velocidad.

En la gran mayoría de superconductores, estos pares de conductores tienen rotaciones opuestas. Un electrón gira hacia arriba y el otro hacia abajo en una estructura conocida como «spin-single». Estos pares pasan felizmente a través del superconductor, excepto bajo campos magnéticos altos, que pueden cambiar la energía de cada electrón en la dirección opuesta, separando el par. De esta manera, los campos magnéticos altos de los mecanismos միջոցով pueden alterar la superconductividad en los superconductores simples rotativos convencionales.

«Esta es la razón fundamental por la que la superconductividad desaparece en un campo magnético lo suficientemente grande», dice Park.

Pero hay algunos superconductores exóticos que son impenetrables a los campos magnéticos hasta que tienen fuerzas muy altas. Estos materiales están superconducidos por un par de electrones con la misma rotación. Una característica conocida como el «trío de giro». Bajo la influencia de campos magnéticos altos, las energías de los dos electrones del par de Cooper se transfieren en la misma dirección para que no se separen, sino que continúen transmitiendo sin perturbaciones, independientemente de la fuerza del campo magnético. .

El grupo de Ar Arilo-Herrero se preguntó si el grafeno de tres capas con un ángulo mágico podría contener signos de esta superconductividad de triple espín más inusual. El equipo ha sido pionero en el estudio de las estructuras muaré de grafeno, capas de celosía atómica de carbono delgadas que, si se montan en ángulos específicos, pueden causar un comportamiento sorprendentemente electrónico.

Los investigadores informaron inicialmente propiedades tan fascinantes en dos hojas de grafeno en las esquinas, que llamaron grafeno de dos capas con un ángulo mágico. Pronto siguieron las pruebas de grafeno de tres capas, la composición sándwich de tres hojas de grafeno, que resultó ser incluso más fuerte que su contraparte de dos capas, manteniendo la superconductividad a temperaturas más altas. Cuando los investigadores utilizaron un campo magnético modesto, notaron que el grafeno de tres capas era capaz de superconducir las fuerzas del campo, lo que destruiría la supereficiencia del grafeno de dos capas.

«Pensamos que esto era algo muy extraño», dijo Ar Arillo-Herrero.

Súper retorno

En un nuevo estudio, los físicos han probado la superconductividad del grafeno de tres capas bajo campos magnéticos más altos. Hicieron el material despegando las delgadas capas de carbono del átomo de un bloque de grafito, apilándolo en tres capas, rotándolo en un promedio de 1,56 grados con las capas externas. Conectaron un electrodo a cada extremo del material para medir cualquier pérdida de corriente durante el flujo de corriente. Luego conectaron un gran imán en el laboratorio con un campo que dirigieron en paralelo con el material.

A medida que aumentaron el campo magnético alrededor del grafeno de tres capas, notaron que la superconductividad era fuerte hasta un punto antes de desaparecer, pero luego, curiosamente, reaparecía con intensidades de campo altas, un retorno que es muy inusual չէ no se sabe que ocurra en una sola rotación ordinaria. transmisores.

«En los superconductores rotativos de un solo transmisor, si matas al superconductor, no volverá, no volverá», dice Kao. «Simplemente llegó a nuestro conocimiento entonces. Así que esto definitivamente dice que este material no es spin-single «.

Señalaron que después de «reingresar» la superconductividad se mantuvo hasta 10 Tesla, la máxima intensidad de campo que podía producir el imán de laboratorio. Esto es aproximadamente tres veces más alto que el superconductor que tendría que soportar si fuera una rueca ordinaria, según el límite de Pauli, una teoría que predice el campo magnético máximo durante el cual un material puede mantener la superconductividad.

El resurgimiento de la superconductividad en el grafeno de tres capas, combinado con su estabilidad en campos magnéticos más alta de lo previsto, excluye la posibilidad de que el material sea un superconductor de fábrica. En cambio, es probablemente una especie muy rara, posiblemente una tríada giratoria con pares de Cooper que atraviesan el material rápidamente en busca de impenetrables campos magnéticos altos. El equipo planea estudiar el material para determinar el estado exacto de rotación, lo que podría ayudar a informar el diseño de máquinas de resonancia magnética más potentes, así como computadoras cuánticas más robustas.

«La computación cuántica ordinaria es muy frágil», dice Arillo-Herrero. «Míralo, sí, desaparece. Hace unos 20 años, los teóricos propusieron un tipo de superconductividad topológica que, si se realiza en cualquier material, podría [enable] una computadora cuántica donde los estados responsables del cálculo son muy fuertes. Eso le daría una cantidad infinita de poder para hacer cálculos. El componente principal para darse cuenta de esto serán los superconductores triples rotativos de cierto tipo. No tenemos idea de si nuestra especie es de ese tipo. Pero incluso si este no es el caso, puede facilitar que el grafeno de tres capas desarrolle tal superconductividad con otros materiales. Eso puede ser un gran paso adelante. Pero aún es demasiado pronto «.

Referencia. Yuan Cao, ong yong Min Park, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi և «Pauli Border Crossing և Relanzamiento de la superconexión en Moore Graphene» de Pablo ar Arillo-Herrero, 2021 21 de julio Naturaleza:,
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-y:

Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, la National Science Foundation, la Gordon որդ Betty Moore Foundation, la Fundación Ramon Areces Are CIFAR Quantum Materials Program.