Supraleitung schaltet sich im "magischen Winkel" von Graphen ein und aus
Ein kurzer elektrischer Impuls kehrt die elektronischen Eigenschaften des Materials vollständig um und eröffnet einen Weg zu ultraschneller supraleitender Elektronik
Durch vorsichtiges Drehen und Stapeln haben MIT-Physiker eine neue und exotische Eigenschaft von Graphen mit "magischem Winkel" entdeckt: Supraleitung, die mit einem elektrischen Impuls ein- und ausgeschaltet werden kann, ähnlich wie ein Lichtschalter.
MIT-Physiker haben einen neuen Weg gefunden, die Supraleitung in Graphen mit magischem Winkel ein- und auszuschalten. Die Abbildung zeigt ein Bauelement mit zwei Graphenschichten in der Mitte (dunkelgrau und im Inset). Die Graphenschichten sind zwischen Bornitridschichten (blau und lila) eingebettet. Der Winkel und die Ausrichtung der einzelnen Schichten ermöglichen es den Forschern, die Supraleitung in Graphen mit einem kurzen elektrischen Impuls ein- und auszuschalten.
Image courtesy of Pablo Jarillo-Herrero, Dahlia Klein, Li-Qiao Xia, and David MacNeill, et. al
Die Entdeckung könnte zu ultraschnellen, energieeffizienten supraleitenden Transistoren für neuromorphe Geräte führen - Elektronik, die so konzipiert ist, dass sie ähnlich wie das schnelle An- und Ausschalten von Neuronen im menschlichen Gehirn funktioniert.
Graphen mit magischem Winkel bezieht sich auf eine ganz besondere Stapelung von Graphen - einem atomdünnen Material aus Kohlenstoffatomen, die in einem sechseckigen Muster verbunden sind, das an Hühnerdraht erinnert. Wenn ein Blatt Graphen in einem präzisen "magischen" Winkel auf ein zweites Blatt gestapelt wird, entsteht durch die verdrehte Struktur ein leicht versetztes "Moiré"-Muster oder Übergitter, das eine Vielzahl überraschender elektronischer Verhaltensweisen unterstützen kann.
Pablo Jarillo-Herrero und seine Gruppe am MIT waren 2018 die ersten, die in einem magischen Winkel verdrehtes zweischichtiges Graphen nachgewiesen haben. Sie zeigten, dass sich die neue Doppelschichtstruktur wie ein Isolator verhalten kann, ähnlich wie Holz, wenn sie ein bestimmtes kontinuierliches elektrisches Feld anlegen. Als sie das Feld erhöhten, verwandelte sich der Isolator plötzlich in einen Supraleiter, durch den die Elektronen reibungsfrei fließen konnten.
Diese Entdeckung gab den Anstoß zur "Twistronik", einem Gebiet, das erforscht, wie bestimmte elektronische Eigenschaften aus der Verdrehung und Schichtung von zweidimensionalen Materialien entstehen. Forscher, zu denen auch Jarillo-Herrero gehört, haben weitere überraschende Eigenschaften von Graphen mit magischem Winkel entdeckt, darunter verschiedene Möglichkeiten, das Material zwischen verschiedenen elektronischen Zuständen umzuschalten. Bislang wirkten solche "Schalter" eher wie Dimmer, da die Forscher kontinuierlich ein elektrisches oder magnetisches Feld anlegen mussten, um die Supraleitung zu aktivieren und aufrechtzuerhalten.
Jetzt haben Jarillo-Herrero und sein Team gezeigt, dass die Supraleitung in Graphen mit magischem Winkel mit einem kurzen Impuls statt mit einem kontinuierlichen elektrischen Feld eingeschaltet und aufrechterhalten werden kann. Der Schlüssel dazu ist eine Kombination aus Verdrehung und Stapelung.
In einem heute in Nature Nanotechnology erschienenen Artikel berichtet das Team, dass die einzigartige Ausrichtung der Sandwich-Struktur es den Forschern ermöglichte, die Supraleitfähigkeit von Graphen mit einem kurzen elektrischen Impuls ein- und auszuschalten, indem sie Graphen im magischen Winkel zwischen zwei versetzten Schichten aus Bornitrid - einem zweidimensionalen isolierenden Material - stapelten.
"Bei der überwiegenden Mehrheit der Materialien ist der elektrische Zustand verschwunden, wenn man das elektrische Feld entfernt", sagt Jarillo-Herrero, der Cecil and Ida Green Professor of Physics am MIT ist. "Dies ist das erste Mal, dass ein supraleitendes Material hergestellt wurde, das elektrisch ein- und ausgeschaltet werden kann, und zwar schlagartig. Dies könnte den Weg für eine neue Generation verdrillter, auf Graphen basierender supraleitender Elektronik ebnen."
Seine MIT-Koautoren sind die Hauptautorin Dahlia Klein, Li-Qiao Xia und David MacNeill sowie Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi vom National Institute for Materials Science in Japan.
Den Schalter umlegen
Im Jahr 2019 entdeckte ein Team der Stanford University, dass Graphen mit magischem Winkel in einen ferromagnetischen Zustand versetzt werden kann. Ferromagnete sind Materialien, die ihre magnetischen Eigenschaften auch dann beibehalten, wenn kein Magnetfeld von außen angelegt wird.
Die Forscher fanden heraus, dass Graphen mit magischem Winkel ferromagnetische Eigenschaften in einer Weise aufweisen kann, die ein- und ausgeschaltet werden kann. Dies geschah, wenn die Graphenblätter zwischen zwei Schichten aus Bornitrid geschichtet wurden, so dass die Kristallstruktur des Graphen auf eine der Bornitridschichten ausgerichtet war. Die Anordnung ähnelte einem Käsesandwich, bei dem die obere Scheibe Brot und die Ausrichtung des Käses übereinstimmen, die untere Scheibe Brot jedoch in einem zufälligen Winkel zur oberen Scheibe gedreht ist. Das Ergebnis verblüffte die MIT-Gruppe.
"Wir versuchten, einen stärkeren Magneten zu erhalten, indem wir beide Scheiben ausrichteten", sagt Jarillo-Herrero. "Stattdessen haben wir etwas ganz anderes gefunden."
In ihrer aktuellen Studie stellte das Team ein Sandwich aus sorgfältig abgewinkelten und gestapelten Materialien her. Der "Käse" des Sandwichs bestand aus Graphen mit magischem Winkel - zwei Graphenschichten, von denen die obere leicht um den "magischen" Winkel von 1,1 Grad gegenüber der unteren Schicht gedreht war. Über diese Struktur legten sie eine Schicht aus Bornitrid, die genau mit der oberen Graphenschicht ausgerichtet war. Schließlich legten sie eine zweite Bornitridschicht unter die gesamte Struktur und versetzten sie um 30 Grad gegenüber der oberen Bornitridschicht.
Anschließend maß das Team den elektrischen Widerstand der Graphenschichten, während es eine Gate-Spannung anlegte. Sie stellten fest, dass das verdrillte zweischichtige Graphen bei bestimmten bekannten Spannungen zwischen isolierenden, leitenden und supraleitenden Zuständen wechselte .
Was die Gruppe nicht erwartet hatte, war, dass jeder elektronische Zustand bestehen blieb und nicht sofort verschwand, sobald die Spannung entfernt wurde - eine Eigenschaft, die als Bistabilität bekannt ist. Sie fanden heraus, dass sich die Graphenschichten bei einer bestimmten Spannung in einen Supraleiter verwandelten und auch dann noch supraleitend blieben, als die Forscher diese Spannung entfernten.
Dieser bistabile Effekt deutet darauf hin, dass die Supraleitung nicht durch ein kontinuierliches elektrisches Feld, sondern durch kurze elektrische Impulse ein- und ausgeschaltet werden kann, ähnlich dem Umlegen eines Lichtschalters. Es ist nicht klar, was diese schaltbare Supraleitung ermöglicht, obwohl die Forscher vermuten, dass es etwas mit der speziellen Ausrichtung des verdrillten Graphens zu den beiden Bornitridschichten zu tun hat, die eine ferroelektrische Reaktion des Systems ermöglicht. (Ferroelektrische Materialien zeigen Bistabilität in ihren elektrischen Eigenschaften).
"Wenn man auf die Stapelung achtet, könnte man der wachsenden Komplexität von supraleitenden Bauelementen mit magischem Winkel einen weiteren Einstellknopf hinzufügen", sagt Klein.
Im Moment sieht das Team den neuen supraleitenden Schalter als ein weiteres Werkzeug, das Forscher bei der Entwicklung von Materialien für schnellere, kleinere und energieeffizientere Elektronik in Betracht ziehen können.
"Man versucht, elektronische Geräte zu bauen, die Berechnungen auf eine Weise durchführen, die vom Gehirn inspiriert ist", sagt Jarillo-Herrero. "Im Gehirn haben wir Neuronen, die ab einem bestimmten Schwellenwert feuern. In ähnlicher Weise haben wir jetzt einen Weg gefunden, wie Graphen mit magischem Winkel jenseits eines bestimmten Schwellenwerts abrupt in die Supraleitung wechseln kann. Dies ist eine Schlüsseleigenschaft für die Realisierung von neuromorphem Computing."
Diese Forschung wurde zum Teil vom Air Force Office of Scientific Research, dem Army Research Office und der Gordon and Betty Moore Foundation unterstützt.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Nature Nanotechnology, “Electrical switching of a bistable moiré superconductor”
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