MIT fizikçileri, sihirli açılı grafende süper iletkenliği açıp kapatmanın yeni bir yolunu buldu. Bu şekil, ortasında iki grafen katmanı olan bir cihazı göstermektedir (koyu gri ve ek olarak). Grafen katmanları, boron nitrür katmanları (mavi ve mor) arasına sıkıştırılmıştır. Her katmanın açısı ve hizalanması, araştırmacıların kısa bir elektrik darbesiyle grafende süper iletkenliği açıp kapatmasını sağlıyor. Kredi: Araştırmacıların izniyle. MIT News tarafından düzenlenmiştir
Hızlı bir elektrik darbesi uygulamak, malzemenin elektronik özelliklerini tamamen tersine çevirerek ultra hızlı, beyinden ilham alan, süper iletken elektroniklere giden yolu açar.
MIT fizikçileri “sihirli açılı” grafende yeni ve egzotik bir özelliği ortaya çıkardılar: ışık anahtarı gibi bir elektrik darbesiyle açılıp kapatılabilen süperiletkenlik. Bunu başarmak için, grafen ve boron nitrit katmanlarının titizlikle bükülmesini ve istiflenmesini kullandılar.
Keşif, nöromorfik cihazlar için ultra hızlı, enerji açısından verimli süper iletken transistörlere yol açabilir – elektronikler, benzer şekilde çalışmak üzere tasarlanmış elektronikler insan beynindeki nöronların hızlı açılıp kapanması.
Sihirli açılı grafen, çok özel bir grafen yığını anlamına gelir. tel. Bir grafen tabakası, ikinci bir tabakanın üzerine kesin bir “sihirli” açıyla istiflendiğinde, bükülmüş yapı, bir dizi şaşırtıcı elektronik davranışı destekleyebilen, hafifçe kaymış bir “moiré” deseni veya üst örgü oluşturur.
{ 6}2018’de Pablo Jarillo-Herrero ve MIT’deki grubu, sihirli açıyla bükülmüş çift katmanlı grafeni ilk kez gösteren kişilerdi. Yeni çift katmanlı yapının, belirli bir sürekli elektrik alanı uyguladıklarında, ahşaba çok benzeyen bir yalıtkan gibi davranabileceğini gösterdiler. Alanı yükselttiklerinde, yalıtkan aniden bir süper iletkene dönüştü ve elektronların sürtünmesiz bir şekilde akmasına izin verdi.
Bu keşif, belirli elektronik özelliklerin elektronlardan nasıl ortaya çıktığını araştıran “twistronics” alanında bir dönüm noktasıydı. iki boyutlu malzemelerin bükülmesi ve katmanlanması. Jarillo-Herrero dahil olmak üzere araştırmacılar, malzemeyi farklı elektronik durumlar arasında değiştirmenin çeşitli yolları da dahil olmak üzere, sihirli açılı grafenin şaşırtıcı özelliklerini ortaya çıkarmaya devam ettiler. Araştırmacıların süperiletkenliği açmak ve açık tutmak için sürekli olarak bir elektrik veya manyetik alan uygulaması gerektiğinden, bu tür “anahtarlar” şimdiye kadar daha çok karartıcı işlevi gördü.
Artık Jarillo-Herrero ve ekibi şunu gösterdi: Sihirli açılı grafendeki süperiletkenlik, sürekli bir elektrik alanı yerine sadece kısa bir darbe ile açılabilir ve açık tutulabilir. Buldukları anahtar, bükme ve istiflemenin bir kombinasyonuydu.
30 Ocak’ta Nature Nanotechnology dergisinde yayınlanan bir makalede, ekip sihirli açılı grafeni iki ofset bor tabakası arasına istifleyerek bunu bildirdi. nitrür – iki boyutlu bir yalıtım malzemesi – sandviç yapının benzersiz hizalanması, araştırmacıların grafenin süper iletkenliğini kısa bir elektrik darbesiyle açıp kapatmasını sağladı.
“Malzemelerin büyük çoğunluğu için, MIT’de Cecil ve Ida Green Fizik Profesörü olan Jarillo-Herrero, “elektrik alan, zzzzip, elektrik durumu gitti” diyor. “Bu, aniden elektrikle açılıp kapatılabilen bir süper iletken malzemenin yapıldığı ilk kez. Bu, yeni nesil bükülmüş, grafen tabanlı süper iletken elektroniğin yolunu açabilir.”
MIT ortak yazarları, baş yazar Dahlia Klein PhD ’21, yüksek lisans öğrencisi Li-Qiao Xia ve eski postdoc David’dir. MacNeill, Japonya’daki Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü’nden Kenji Watanabe ve Takashi Taniguchi ile birlikte.
Düğmeyi çeviriyoruz
2019’da Stanford Üniversitesi’nden bir ekip şunu keşfetti: sihirli açılı grafen, ferromanyetik bir duruma zorlanabilir. Ferromanyetler, harici olarak uygulanan bir manyetik alan olmasa bile manyetik özelliklerini koruyan malzemelerdir.
Araştırmacılar, sihirli açılı grafenin açılıp kapatılabilecek şekilde ferromanyetik özellikler sergileyebileceğini buldular. Bu, grafen levhaları, grafenin kristal yapısının boron nitrür tabakalarından birine hizalanacak şekilde iki bor nitrür levhası arasına yerleştirildiğinde meydana geldi. Düzenleme, üst dilim ekmek ve peynir yönelimlerinin hizalandığı, ancak alt ekmek diliminin üst dilime göre rastgele bir açıyla döndürüldüğü bir peynirli sandviçi andırıyordu. Sonuç, MIT grubunun ilgisini çekti.
“Her iki dilimi de hizalayarak daha güçlü bir mıknatıs elde etmeye çalışıyorduk,” diyor Jarillo-Herrero. “Bunun yerine tamamen farklı bir şey bulduk.”
Mevcut çalışmalarında ekip, dikkatlice açılı ve istiflenmiş malzemelerden bir sandviç üretti. Sandviçin “peyniri” sihirli açılı grafenden oluşuyordu – iki grafen tabakası, üst kısım alt tabakaya göre 1.1 derecelik “sihirli” açıyla hafifçe döndürüldü. Bu yapının üzerine, üstteki grafen tabakasıyla tam olarak hizalanmış bir bor nitrür tabakası yerleştirdiler. Son olarak, tüm yapının altına ikinci bir bor nitrür tabakası yerleştirdiler ve boron nitrürün üst tabakasına göre bunu 30 derece kaydırdılar.
Ekip daha sonra grafen tabakalarını uygularken elektrik direncini ölçtüler. bir kapı voltajı. Diğerlerinin bulduğu gibi, bükülmüş iki katmanlı grafenin bilinen belirli voltajlarda yalıtkan, iletken ve süper iletken durumlar arasında geçiş yaparak elektronik durumları değiştirdiğini buldular.
Grubun beklemediği şey, her bir elektronik durumun devam etmesiydi. gerilim kaldırıldığında hemen ortadan kayboluyor – iki durumluluk olarak bilinen bir özellik. Araştırmacılar, belirli bir voltajda grafen katmanlarının bir süper iletkene dönüştüğünü ve araştırmacılar bu voltajı kaldırsa bile süper iletken olarak kaldığını buldular.
Bu iki durumlu etki, süper iletkenliğin kısa elektrikle açılıp kapatılabileceğini gösteriyor. bir ışık anahtarına hafifçe vurmaya benzer şekilde, sürekli bir elektrik alanı yerine darbeler. Bu değiştirilebilir süperiletkenliği neyin mümkün kıldığı net değil, ancak araştırmacılar bunun bükülmüş grafenin her iki bor nitrür katmanına özel olarak hizalanmasıyla bir ilgisi olduğundan şüpheleniyorlar, bu da sistemin ferroelektrik benzeri bir tepkisini mümkün kılıyor. (Ferroelektrik malzemeler, elektrik özelliklerinde çift kararlılık gösterirler.)
“Yığınlamaya dikkat ederek, sihirli açılı süper iletken cihazların artan karmaşıklığına başka bir ayar düğmesi ekleyebilirsiniz,” diyor Klein.
Şimdilik ekip, yeni süper iletken anahtarı, araştırmacıların daha hızlı, daha küçük ve enerji açısından daha verimli elektronikler için malzemeler geliştirirken göz önünde bulundurabilecekleri başka bir araç olarak görüyor.
“İnsanlar bunu yapan elektronik cihazlar üretmeye çalışıyor. hesaplamaları beyinden ilham alan bir şekilde yapıyor,” diyor Jarillo-Herrero. “Beyinde, belirli bir eşiğin ötesinde ateşleyen nöronlarımız var. Benzer şekilde, sihirli açılı grafen için süperiletkenliği aniden, belirli bir eşiğin ötesinde değiştirmenin bir yolunu bulduk. Bu, nöromorfik hesaplamanın gerçekleştirilmesinde önemli bir özelliktir.”
Referans: “Electrical switch of a bistable moiré superconductor” Dahlia R. Klein, Li-Qiao Xia, David MacNeill, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi ve Pablo Jarillo -Herrero, 30 Ocak 2023, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-022-01314-x
Bu araştırma, kısmen ABD Hava Kuvvetleri Bilim Ofisi tarafından desteklenmiştir. Araştırma, ABD Ordusu Araştırma Ofisi ve Gordon ve Betty Moore Vakfı.