Coloque una sola lámina de carbono encima de otra en un ligero ángulo y emerjan propiedades notables, incluido el flujo de corriente libre de resistencia altamente apreciado conocido como superconductividad.
Ahora, un equipo de investigadores de Princeton ha buscado los orígenes de este comportamiento inusual en un material conocido como grafeno bicapa retorcida de ángulo mágico, y detectó firmas de una cascada de transiciones de energía que podrían ayudar a explicar cómo surge la superconductividad en este material.El documento fue publicado en línea el 11 de junio en la revista Naturaleza .
"Este estudio muestra que los electrones en el grafeno de ángulo mágico están en un estado altamente correlacionado incluso antes de que el material se vuelva superconductor", dijo Ali Yazdani, Profesor de Física de la Clase de 1909, el líder del equipo que realizó el descubrimiento ".El cambio repentino de energías cuando agregamos o eliminamos un electrón en este experimento proporciona una medición directa de la fuerza de la interacción entre los electrones ".
Esto es significativo porque estos saltos de energía proporcionan una ventana a los comportamientos colectivos de los electrones, como la superconductividad, que emergen en el grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico, un material compuesto por dos capas de grafeno en el que la lámina superior giraligero ángulo con respecto al otro.
En los metales cotidianos, los electrones pueden moverse libremente a través del material, pero las colisiones entre los electrones y la vibración de los átomos dan lugar a la resistencia y la pérdida de algo de energía eléctrica como calor, razón por la cual los dispositivos electrónicos se calientan durante el uso.
En los materiales superconductores, los electrones cooperan. "Los electrones están bailando unos con otros", dijo Biao Lian, investigador asociado postdoctoral en el Centro Princeton de Ciencia Teórica que se convertirá en profesor asistente de física este otoño, y uno delos primeros autores del estudio: "Tienen que colaborar para entrar en un estado tan notable".
Según algunas medidas, el grafeno de ángulo mágico, descubierto hace dos años por Pablo Jarillo-Herrero y su equipo en el Instituto de Tecnología de Massachusetts MIT, es uno de los superconductores más fuertes jamás descubiertos. La superconductividad es relativamente robusta incluso en este sistemaaunque ocurre cuando hay muy pocos electrones que se mueven libremente.
Los investigadores se propusieron explorar cómo la estructura cristalina única del grafeno de ángulo mágico permite comportamientos colectivos. Los electrones no solo tienen una carga negativa, sino también otras dos características: momento angular o "giro" y posibles movimientos en la estructura cristalina.conocidos como estados "valle". Las combinaciones de espín y valle forman los diversos "sabores" de electrones.
El equipo particularmente quería saber cómo estos sabores afectan los comportamientos colectivos, por lo que realizaron sus experimentos a temperaturas ligeramente superiores al punto en el que los electrones interactúan fuertemente, lo que los investigadores compararon con la fase principal de los comportamientos.
"Medimos la fuerza entre los electrones en el material a temperaturas más altas con la esperanza de que comprender esta fuerza nos ayudará a comprender el superconductor que se convierte en temperaturas más bajas", dijo Dillon Wong, investigador postdoctoral en el Centro de Princeton paraMateriales complejos y un coprimer autor.
Utilizaron una herramienta llamada microscopio de túnel de exploración, en el que una punta de metal conductora puede agregar o eliminar un electrón del grafeno de ángulo mágico y detectar el estado de energía resultante de ese electrón.
Debido a que los electrones que interactúan fuertemente resisten la adición de un nuevo electrón, cuesta un poco de energía agregar el electrón adicional. Los investigadores pueden medir esta energía y, a partir de ella, determinar la fuerza de la fuerza de interacción.
"Literalmente estoy poniendo un electrón y viendo cuánta energía cuesta meter este electrón en el baño cooperativo", dijo Kevin Nuckolls, un estudiante graduado en el Departamento de Física, también coautor.
El equipo descubrió que la adición de cada electrón provocaba un salto en la cantidad de energía necesaria para agregar otro, lo que no habría sido el caso si los electrones pudieran ingresar al cristal y luego moverse libremente entre los átomosLa cascada resultante de las transiciones de energía fue el resultado de un salto de energía para cada uno de los sabores de los electrones, ya que los electrones deben asumir el estado de energía más bajo posible sin tener la misma energía y el mismo sabor que otros electrones en la misma ubicación enel cristal
Una pregunta clave en el campo es cómo la fuerza de las interacciones entre electrones se compara con los niveles de energía que los electrones habrían tenido en ausencia de tales interacciones. En la mayoría de los superconductores comunes y de baja temperatura, esta es una pequeña corrección, peroEn raros superconductores de alta temperatura, se cree que las interacciones entre electrones cambian drásticamente los niveles de energía de los electrones. La superconductividad en presencia de una influencia tan dramática de las interacciones entre electrones es muy poco conocida.
Las mediciones cuantitativas de los cambios repentinos detectados por los investigadores confirman la imagen de que el grafeno de ángulo mágico pertenece a la clase de superconductores con una fuerte interacción entre los electrones.
El grafeno es una capa delgada de átomos de carbono de un solo átomo que, debido a las propiedades químicas del carbono, se organizan en una red plana de nido de abeja. Los investigadores obtienen grafeno tomando un bloque delgado de grafito, el mismo carbono purose usa en lápices y se quita la capa superior con cinta adhesiva.
Luego apilan dos capas finas de átomos y giran la capa superior exactamente 1.1 grados, el ángulo mágico. Esto hace que el material se vuelva superconductor u obtenga propiedades inusuales de aislamiento o magnéticas.
"Si estás a 1.2 grados, es malo. Es solo un metal soso. No está sucediendo nada interesante. Pero si estás a 1.1 grados, ves todo este comportamiento interesante", dijo Nuckolls.
Esta desalineación crea un arreglo conocido como patrón muaré por su parecido con una tela francesa.
Para llevar a cabo los experimentos, los investigadores construyeron un microscopio de túnel de exploración en el sótano del edificio de física de Princeton, Jadwin Hall. Tan alto que ocupa dos pisos, el microscopio se asienta sobre una losa de granito, que flota en las cámaras de aire ". Necesitamospara aislar el equipo con mucha precisión porque es extremadamente sensible a las vibraciones ", dijo Myungchul Oh, investigador asociado postdoctoral y coautor principal.
Dillon Wong, Kevin Nuckolls, Myungchul Oh y Biao Lian contribuyeron igualmente al trabajo.
Yonglong Xie, quien obtuvo su doctorado en 2019 y ahora es investigador postdoctoral en la Universidad de Harvard, hizo contribuciones adicionales; Sangjun Jeon, quien ahora es profesor asistente en la Universidad de Chung-Ang en Seúl; Kenji Watanabe y TakashiTaniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales NIMS en Japón; y el Profesor Princeton de Física B. Andrei Bernevig.
Una cascada similar de transiciones de fase electrónicas se observó en un artículo publicado simultáneamente en Naturaleza el 11 de junio por un equipo dirigido por Shahal Ilani en el Instituto de Ciencia Weizmann en Israel y con Jarillo-Herrero y colegas del MIT, Takashi Taniguchi y Kenji Watanabe de NIMS Japón, e investigadores de la Universidad Libre de Berlín.
"El equipo de Weizmann observó las mismas transiciones que nosotros con una técnica completamente diferente", dijo Yazdani. "Es bueno ver que sus datos son compatibles tanto con nuestras mediciones como con nuestra interpretación".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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