Superlaidumas įsijungia ir išsijungia „stebuklingo kampo“ grafene

Atsargiai sukdami ir sudėdami MIT fizikai atskleidė naują ir egzotišką „stebuklingo kampo“ grafeno savybę: superlaidumą, kurį galima įjungti ir išjungti elektros impulsu, panašiai kaip šviesos jungiklis.

Dėl šio atradimo gali būti sukurti itin greiti, energiją taupantys superlaidūs neuromorfiniams įrenginiams skirti tranzistoriai – elektronika, sukurta veikti panašiai kaip greitas žmogaus smegenų neuronų įjungimas/išjungimas.

Stebuklingo kampo grafenas reiškia labai specifinį grafeno krūvą – atomo plonumo medžiagą, pagamintą iš anglies atomų, sujungtų šešiakampiu raštu, primenančiu vištienos vielą. Kai vienas grafeno lapas yra sukrautas ant antrojo lapo tiksliu „stebuklingu“ kampu, susukta struktūra sukuria šiek tiek paslinktą „muaro“ raštą arba supergardelę, kuri gali palaikyti daugybę stebinančių elektroninių veiksmų.

2018 m. Pablo Jarillo-Herrero ir jo grupė MIT pirmieji pademonstravo stebuklingo kampo susuktą dvisluoksnį grafeną. Jie parodė, kad naujoji dvisluoksnė struktūra gali veikti kaip izoliatorius, panašiai kaip medis, kai jie taiko tam tikrą nuolatinį elektrinį lauką. Kai jie padidino lauką, izoliatorius staiga pavirto į superlaidininką, leidžiantį elektronams tekėti be trinties.

Šis atradimas paskatino „twistroniką“, sritį, kuri tiria, kiek tai yra tikra elektronines savybes atsiranda dėl dvimačių medžiagų sukimo ir sluoksniavimo. Tyrėjai, įskaitant Jarillo-Herrero, ir toliau atskleidė nuostabias stebuklingo kampo grafeno savybes, įskaitant įvairius būdus, kaip pakeisti medžiagą tarp skirtingų elektroninių būsenų. Iki šiol tokie „jungikliai“ labiau veikė kaip reguliatoriai, nes mokslininkai turi nuolat taikyti elektrinį ar magnetinį lauką, kad įjungtų superlaidumą ir išlaikytų jį įjungtą.

Dabar Jarillo-Herrero ir jo komanda parodė, kad stebuklingo kampo grafeno superlaidumą galima įjungti ir išlaikyti trumpu impulsu, o ne nuolatiniu elektriniu lauku. Raktas, kurį jie rado, buvo sukimo ir krovimo derinys.

Straipsnyje, kuris šiandien pasirodo m Gamtos nanotechnologijoskomanda praneša, kad sudėjus stebuklingo kampo grafeną tarp dviejų boro nitrido sluoksnių – dvimatės izoliacinės medžiagos – unikalus sumuštinio struktūros išlyginimas leido tyrėjams įjungti ir išjungti grafeno superlaidumą. elektros impulsas.

„Jei pašalinsite elektrinį lauką, zzzzip, daugumos medžiagų elektrinės būsenos nebeliks“, – sako Jarillo-Herrero, MIT fizikos profesorius Cecil ir Ida Green. „Tai pirmas kartas, kai a superlaidi medžiaga buvo pagamintas, kurį galima staigiai įjungti ir išjungti elektra. Tai galėtų atverti kelią naujos kartos susuktai, grafeno pagrindu veikiančiai superlaidžiai elektronikai.

Jo MIT bendraautoriai yra pagrindinė autorė Dahlia Klein, Li-Qiao Xia ir David MacNeill, taip pat Kenji Watanabe ir Takashi Taniguchi iš Nacionalinio medžiagų mokslo instituto Japonijoje.

Perjungiant jungiklį

2019 m. Stanfordo universiteto komanda atrado, kad stebuklingo kampo grafenas gali būti priverstas į feromagnetinę būseną. Feromagnetai yra medžiagos, kurios išlaiko savo magnetines savybes, net jei nėra išorinio magnetinio lauko.

Tyrėjai nustatė, kad stebuklingo kampo grafenas gali turėti feromagnetines savybes taip, kad jas būtų galima įjungti ir išjungti. Tai atsitiko, kai grafeno lakštai buvo sluoksniuoti tarp dviejų boro nitrido lakštų taip, kad grafeno kristalinė struktūra buvo suderinta su vienu iš boro nitrido sluoksnių.

Išdėstymas priminė sumuštinį su sūriu, kuriame viršutinė duonos riekelė ir sūrio kryptys yra sulygiuotos, tačiau apatinė duonos riekelė pasukama atsitiktiniu kampu viršutinės riekės atžvilgiu. Rezultatas suintrigavo MIT grupę.

“Mes bandėme gauti stipresnį magnetą suderindami abu pjūvius”, – sako Jarillo-Herrero. “Vietoj to mes radome kažką visiškai kitokio.”

Dabartiniame tyrime komanda pagamino sumuštinį iš kruopščiai kampuotų ir sukrautų medžiagų. Sumuštinio „sūris“ susideda iš stebuklingo kampo grafeno – dviejų grafeno lakštų, kurių viršutinė dalis buvo šiek tiek pasukta „stebuklingu“ 1,1 laipsnio kampu apatinio lakšto atžvilgiu. Virš šios struktūros jie uždėjo boro nitrido sluoksnį, tiksliai suderintą su viršutiniu grafeno lakštu. Galiausiai jie uždėjo antrą boro nitrido sluoksnį po visa konstrukcija ir paslinko jį 30 laipsnių viršutinio boro nitrido sluoksnio atžvilgiu.

Tada komanda išmatavo grafeno sluoksnių elektrinę varžą, kai jie taikė vartų įtampą. Jie nustatė, kaip ir kiti, kad susukti dvisluoksnis grafenas perjungiamos elektroninės būsenos, keičiamos izoliacinės, laidžiosios ir superlaidžiosios būsenos esant tam tikroms žinomoms įtampoms.

Grupė nesitikėjo, kad kiekviena elektroninė būsena išliko, o ne iš karto išnyko, kai įtampa buvo pašalinta – savybė, žinoma kaip bistabilumas. Jie nustatė, kad esant tam tikrai įtampai, grafeno sluoksniai virto superlaidininku ir išliko superlaidūs, net kai tyrėjai pašalino šią įtampą.

Šis bistabilus efektas rodo, kad superlaidumą galima įjungti ir išjungti trumpais elektros impulsais, o ne nuolatiniu elektriniu lauku, panašiai kaip brūkštelėjimas šviesos jungiklis. Neaišku, kas įgalina šį perjungiamą superlaidumą, nors mokslininkai įtaria, kad tai susiję su specialiu susukto grafeno suderinimu su abiem boro nitrido sluoksniais, o tai leidžia feroelektriškai panašiai sistemai reaguoti. (Ferroelektrinių medžiagų elektrinės savybės yra nestabilios.)

„Atkreipdami dėmesį į sudėjimą, galite pridėti dar vieną derinimo rankenėlę prie didėjančio stebuklingo kampo superlaidžių įrenginių sudėtingumo“, – sako Kleinas.

Kol kas komanda naują superlaidų jungiklį laiko dar vienu įrankiu, kurį tyrėjai gali apsvarstyti kurdami medžiagas greitesnei, mažesnei ir energiją taupanei elektronikai.

„Žmonės bando sukurti elektroninius prietaisus, kurie atlieka skaičiavimus tokiu būdu, kurį įkvėpė smegenys“, – sako Jarillo-Herrero. “Smegenyse yra neuronų, kurie, viršydami tam tikrą slenkstį, suveikia. Panašiai dabar mes radome magiško kampo būdą. grafenas staigiai perjungti superlaidumą, viršijant tam tikrą slenkstį. Tai yra pagrindinė savybė įgyvendinant neuromorfinį skaičiavimą.

Ši istorija iš naujo paskelbta „MIT News“ (web.mit.edu/newsoffice/), populiari svetainė, kurioje pateikiamos naujienos apie MIT tyrimus, inovacijas ir mokymą.