Сверхпроводимость и сильные взаимодействия в перестраиваемом муаровом квазикристалле
В ходе исследования, которое могло бы стимулировать интерес к загадочному классу материалов, известному как квазикристаллы, ученые и коллеги Массачусетского технологического института обнаружили относительно простой и гибкий способ создания новых атомарно тонких версий, которые можно настроить на важные явления. В работе, опубликованной в журнале Nature, они описывают именно это, чтобы материалы проявляли сверхпроводимость и многое другое.
Изображение муарового квазикристалла (центральный столбец), созданного тремя перекрывающимися листами атомарно тонкого графена.
Фото: Серхио К. де ла Баррера, Университет Торонто.
Исследование представляет новую платформу, позволяющую не только узнать больше о квазикристаллах, но и изучить экзотические явления, которые трудно изучать, но которые могут привести к важным приложениям и новой физике. Например, лучшее понимание сверхпроводимости, при которой электроны проходят через материал без сопротивления, могло бы позволить создать гораздо более эффективные электронные устройства.
Работа объединяет две ранее не связанные между собой области: квазикристаллы и твистронику. Последнее было впервые предложено в Массачусетском технологическом институте всего около пяти лет назад Пабло Харильо-Эрреро, профессором физики Массачусетского технологического института Сесила и Иды Грин и автором статьи.
«Действительно удивительно, что область твистроники продолжает неожиданно соединяться с другими областями физики и химии, в данном случае с прекрасным и экзотическим миром квазипериодических кристаллов», — говорит Харилло-Эрреро, который также является сотрудником Лаборатории исследования материалов Массачусетского технологического института и Исследовательская лаборатория электроники Массачусетского технологического института.
Авирам Ури (слева) и Серджио К. де ла Баррера — часть команды, которая сумела добиться сверхпроводимости из загадочного класса материалов, известных как квазикристаллы. Ури — Паппалардо и постдокторант ВАТАТ в Массачусетском технологическом институте; де ла Баррера — доцент Университета Торонто.
Фото: Ева Чунг, Университет Торонто.
Сделайте поворот
Твистроникс предполагает атомарно тонкие слои материалов, расположенные друг на друге. Вращение или скручивание одного или нескольких слоев под небольшим углом создает уникальный узор, называемый муаровой сверхрешеткой. А муаровый узор, в свою очередь, влияет на поведение электронов.
«Оно меняет спектр энергетических уровней, доступных электронам, и может создать условия для возникновения интересных явлений», — говорит Серджио К. де ла Баррера, один из четырех соавторов недавней статьи. Де ла Баррера, который руководил этой работой, будучи научным сотрудником Массачусетского технологического института, сейчас является доцентом Университета Торонто.
Муаровую систему также можно адаптировать под различное поведение, изменяя количество добавляемых в систему электронов. В результате за последние пять лет область твисттроники резко выросла, поскольку исследователи по всему миру начали применять ее для создания новых атомно тонких квантовых материалов. Примеры только из MIT включают:
- Превращение муарового материала, известного как двухслойный графен , скрученный под магическим углом, в три разных и полезных электронных устройства. (В число ученых, участвовавших в этой работе, о которой сообщалось в 2021 году , входил Даниэль Родан-Легрейн, соавтор текущей работы и постдокторант по физике Массачусетского технологического института. Их возглавлял Харильо-Эрреро.)
- Разработка нового свойства — сегнетоэлектричества — в известном семействе полупроводников. (Ученых, участвовавших в этой работе, о которой сообщалось в 2021 году, возглавлял Харильо-Эрреро.)
- Предсказание новых экзотических магнитных явлений с «рецептом» их реализации. (В число ученых, участвовавших в этой работе, о которой сообщалось в 2023 году, входили профессор физики Массачусетского технологического института Лян Фу и Нисарга Пол, аспирант Массачусетского технологического института по физике. И Фу, и Пол являются соавторами настоящей статьи.)
На пути к новым квазикристаллам
В текущей работе исследователи возились с муаровой системой, состоящей из трех листов графена. Графен состоит из одного слоя атомов углерода, расположенных в шестиугольниках, напоминающих сотовую структуру. В этом случае команда наложила три листа графена друг на друга, но скрутила два листа под немного разными углами.
К их удивлению, система создала квазикристалл , необычный класс материала, открытый в 1980-х годах. Как следует из названия, квазикристаллы находятся где-то между кристаллом, например алмазом, имеющим регулярную повторяющуюся структуру, и аморфным материалом, например стеклом, «где все атомы перемешаны или расположены хаотично», — говорит де ла Баррера. Короче говоря, квазикристаллы «имеют действительно странные узоры», говорит де ла Баррера (некоторые примеры см. здесь ).
Однако по сравнению с кристаллами и аморфными материалами о квазикристаллах известно относительно мало. Частично это потому, что их сложно сделать. «Это не значит, что они не интересны; это просто означает, что мы не уделяем им столько внимания, особенно их электронным свойствам», — говорит де ла Баррера. Новая платформа, которая относительно проста, может изменить ситуацию.
Узнать больше
Поскольку первоначальные исследователи не были экспертами в области квазикристаллов, они обратились к профессору Рону Лифшицу из Тель-Авивского университета. Авирам Ури, один из соавторов статьи и научный сотрудник Массачусетского технологического института Паппалардо и ВАТАТ, был студентом Лифшица во время его учебы в Тель-Авиве и знал о его работе над квазикристаллами. Лифшиц, который также является автором статьи в журнале Nature, помог команде лучше понять то, на что они смотрят, и что они называют муаровым квазикристаллом.
Затем физики настроили муаровый квазикристалл, чтобы сделать его сверхпроводящим или передавать ток без какого-либо сопротивления при температуре ниже определенной низкой температуры. Это важно, поскольку сверхпроводящие устройства могут передавать ток через электронные устройства гораздо эффективнее, чем это возможно сегодня, но во всех случаях это явление до сих пор полностью не изучено. Новая муаровая квазикристаллическая система открывает новый способ ее изучения.
Команда также обнаружила доказательства нарушения симметрии, еще одного явления, которое «говорит нам о том, что электроны очень сильно взаимодействуют друг с другом. И как физики и исследователи квантовых материалов, мы хотим, чтобы наши электроны взаимодействовали друг с другом, потому что именно здесь происходит экзотическая физика». ", - говорит де ла Баррера.
В конце концов, «путем дискуссий на разных континентах мы смогли расшифровать эту вещь, и теперь мы считаем, что хорошо разбираемся в том, что происходит», — говорит Ури, хотя и отмечает, что «мы еще не до конца понимаем эту систему». Есть еще немало загадок».
Лучшей частью исследования было «решение загадки того, что мы на самом деле создали», — говорит де ла Баррера. «Мы ожидали [чего-то другого], поэтому было очень приятным сюрпризом, когда мы поняли, что на самом деле смотрим на что-то совершенно новое и необычное».
«Для меня это тот же ответ», — говорит Ури.
