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Aug 09, 2023

Studie: Supraleitung schaltet sich „magisch“ ein und aus

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Durch sorgfältiges 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.

Die Entdeckung könnte zu ultraschnellen, energieeffizienten supraleitenden Transistoren für neuromorphe Geräte führen – Elektronik, die so konzipiert ist, dass sie ähnlich funktioniert wie das schnelle Ein- und Ausschalten von Neuronen im menschlichen Gehirn.

Unter Magic-Angle-Graphen versteht man eine ganz besondere Anordnung von Graphen – ein atomar dünnes Material aus Kohlenstoffatomen, die in einem sechseckigen Muster verbunden sind, das einem Hühnerdraht ähnelt. Wenn eine Graphenschicht in einem präzisen „magischen“ Winkel auf eine zweite Schicht gestapelt wird, erzeugt die verdrehte Struktur ein leicht versetztes „Moiré“-Muster oder Übergitter, das eine Vielzahl überraschender elektronischer Verhaltensweisen unterstützen kann.

Im Jahr 2018 waren Pablo Jarillo-Herrero und seine Gruppe am MIT die ersten, die um einen magischen Winkel gedrehtes Doppelschicht-Graphen demonstrierten. Sie zeigten, dass sich die neue Doppelschichtstruktur ähnlich wie Holz als Isolator verhalten könnte, wenn sie ein bestimmtes kontinuierliches elektrisches Feld anlegten. Als sie das Feld erhöhten, verwandelte sich der Isolator plötzlich in einen Supraleiter, sodass die Elektronen reibungslos fließen konnten.

Diese Entdeckung war ein Wendepunkt auf dem Gebiet der „Twistronik“, die untersucht, wie bestimmte elektronische Eigenschaften durch die Verdrehung und Schichtung zweidimensionaler Materialien entstehen. Forscher wie Jarillo-Herrero haben weiterhin überraschende Eigenschaften von Graphen mit magischem Winkel entdeckt, darunter verschiedene Möglichkeiten, das Material zwischen verschiedenen elektronischen Zuständen umzuschalten. Bisher wirken solche „Schalter“ eher wie Dimmer, da Forscher kontinuierlich ein elektrisches oder magnetisches Feld anlegen müssen, um die Supraleitung einzuschalten und aufrechtzuerhalten.

Jetzt haben Jarillo-Herrero und sein Team gezeigt, dass die Supraleitung in Graphen mit magischem Winkel mit nur einem kurzen Impuls statt mit einem kontinuierlichen elektrischen Feld eingeschaltet und aufrechterhalten werden kann. Sie fanden heraus, dass der Schlüssel eine Kombination aus Drehen und Stapeln war.

In einem heute in Nature Nanotechnology erschienenen Artikel berichtet das Team, dass es den Forschern durch die Stapelung von Graphen im magischen Winkel zwischen zwei versetzten Schichten aus Bornitrid – einem zweidimensionalen Isoliermaterial – durch die einzigartige Ausrichtung der Sandwichstruktur möglich war, die Supraleitung von Graphen einzuschalten und mit einem kurzen elektrischen Impuls aus.

„Bei den allermeisten Materialien ist der elektrische Zustand verschwunden, wenn man das elektrische Feld entfernt, zzzzip“, sagt Jarillo-Herrero, Cecil-und-Ida-Green-Professorin für Physik am MIT. „Dies ist das erste Mal, dass ein supraleitendes Material hergestellt wurde, das abrupt elektrisch ein- und ausgeschaltet werden kann. Dies könnte den Weg für eine neue Generation verdrehter supraleitender Elektronik auf Graphenbasis ebnen.“

Seine MIT-Co-Autoren sind die Hauptautorin Dahlia Klein PhD '21, die Doktorandin Li-Qiao Xia und der ehemalige Postdoc 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 gezwungen werden kann. Ferromagnete sind Materialien, die ihre magnetischen Eigenschaften auch dann behalten, wenn kein von außen angelegtes Magnetfeld vorhanden ist.

Die Forscher fanden heraus, dass Graphen mit magischem Winkel ferromagnetische Eigenschaften aufweisen kann, die ein- und ausgeschaltet werden können. Dies geschah, als die Graphenschichten zwischen zwei Schichten aus Bornitrid geschichtet wurden, sodass die Kristallstruktur des Graphens an einer der Bornitridschichten ausgerichtet war. Die Anordnung ähnelte einem Käsesandwich, bei dem die obere Brotscheibe und die Käseausrichtung ausgerichtet sind, die untere Brotscheibe jedoch in einem zufälligen Winkel zur oberen Scheibe gedreht ist. Das Ergebnis faszinierte die MIT-Gruppe.

„Wir haben versucht, durch die Ausrichtung beider Scheiben einen stärkeren Magneten zu erhalten“, 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, wobei die Oberseite im „magischen“ Winkel von 1,1 Grad gegenüber der unteren Schicht leicht gedreht war. Über dieser Struktur platzierten sie eine Schicht aus Bornitrid, die genau auf die obere Graphenschicht ausgerichtet war. Schließlich platzierten sie eine zweite Schicht aus Bornitrid unter der gesamten Struktur und versetzten diese um 30 Grad gegenüber der oberen Schicht aus Bornitrid.

Anschließend maß das Team den elektrischen Widerstand der Graphenschichten, während sie eine Gate-Spannung anlegten. Sie fanden, wie auch andere, heraus, dass die verdrillte Graphendoppelschicht ihre elektronischen Zustände wechselte und zwischen isolierenden, leitenden und supraleitenden Zuständen wechseltebei bestimmten bekannten Spannungen.

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 supraleitend blieben, selbst wenn die Forscher diese Spannung entfernten.

Dieser bistabile Effekt legt nahe, dass die Supraleitung mit kurzen elektrischen Impulsen anstelle eines kontinuierlichen elektrischen Feldes ein- und ausgeschaltet werden kann, ähnlich wie beim Betätigen eines Lichtschalters. Es ist nicht klar, was diese schaltbare Supraleitung ermöglicht, obwohl die Forscher vermuten, dass dies etwas mit der speziellen Ausrichtung des verdrillten Graphens zu beiden Bornitridschichten zu tun hat, die eine ferroelektrisch ähnliche Reaktion des Systems ermöglicht. (Ferroelektrische Materialien weisen Bistabilität in ihren elektrischen Eigenschaften auf.)

„Wenn man auf die Stapelung achtet, könnte man der wachsenden Komplexität von supraleitenden Geräten mit magischem Winkel einen weiteren Drehknopf hinzufügen“, sagt Klein.

Derzeit betrachtet 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.

„Die Leute versuchen, 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 eine Möglichkeit für Graphen im magischen Winkel gefunden, die Supraleitung über einen bestimmten Schwellenwert hinaus abrupt umzuschalten. Dies ist eine Schlüsseleigenschaft bei der Verwirklichung neuromorpher Datenverarbeitung.“ ."

Diese Forschung wurde teilweise vom US Air Force Office of Scientific Research, dem US Army Research Office und der Gordon and Betty Moore Foundation unterstützt.

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