Sentuhan baru dan rahasia superkonduktivitas

Kemunculan tiba-tiba superkonduktor tampak seperti kebetulan, tetapi teori baru dan penemuan kedua menunjukkan bahwa partikel kuasi yang muncul mungkin berada di balik efek ini.





Skyrmions muncul dari perilaku kolektif banyak elektron, tetapi berperilaku seperti partikel individu.



Selama tiga tahun terakhir elektron telah memainkan permainan bagi fisikawan.



Permainan dimulai pada tahun 2018 ketika laboratorium Pablo Jarillo-Herrero mengumumkan penemuan satu dekade : ketika peneliti menumpuk satu lapisan atom karbon di atas yang lain, menerapkan putaran "ajaib" 1,1 derajat di antara mereka, dan kemudian mendinginkan pelat atom ke mendekati nol mutlak, maka sampel menjadi konduktor elektron yang ideal.



Bagaimana partikel bersekongkol untuk meluncur dengan sempurna melalui lembaran graphene? "Moire" kaleidoskopik yang diciptakan oleh sudut kemiringan tampak seperti hasil yang signifikan, tetapi tidak ada yang yakin. Untuk mengetahuinya, para peneliti mulai melipat dan memutar (memutar) bahan apa pun yang bisa mereka dapatkan.



Pada awalnya, elektron ikut bermain. Serangkaian percobaan telah menunjukkan bahwa di banyak bahan datar, suhu rendah menyebabkan penurunan tajam hambatan listrik. Tampaknya kondisi yang diperlukan untuk konduktivitas ideal sudah dipahami dengan lebih baik, dan, oleh karena itu, langkah memikat menuju revolusi elektronik sudah dekat.



"Rasanya seperti superkonduktivitas ada di mana-mana," kata Matthew Yankowitz , fisikawan materi terkondensasi di Universitas Washington, "tidak peduli sistem mana yang Anda lihat."



Tapi elektron tiba-tiba "memakai topeng kesopanan palsu." Saat para peneliti mempelajari sampel lebih dekat, kasus superkonduktivitas menghilang. Dalam beberapa bahan, resistansi tidak benar-benar turun menjadi nol. Ada hasil yang bertentangan dalam berbagai sampel yang diteliti. Hanya dalam graphene bilayer asli elektron benar-benar bergerak tanpa "hambatan" dalam banyak kasus.



"Kami memiliki seluruh kebun binatang dari bahan-bahan yang berbeda, dan graphene dua-lapis yang dipelintir adalah satu-satunya superkonduktor," kata Jankowitz.



Kemudian, selama sebulan terakhir di dua artikel yang diterbitkan di jurnal "Nature" dan "Science", superkonduktor lain dijelaskan, sebuah "sandwich" tiga lapis graphene dengan dua lembar "roti" luar yang rata dan lembaran pengisi diputar 1,56 derajat.

Kemampuan yang tidak diragukan lagi untuk mentransfer elektron dari graphene tiga lapis yang dipelintir menegaskan bahwa sistem dua pelat itu bukanlah suatu kebetulan. "Itu adalah yang pertama dari keluarga superkonduktor moire," kata Jarillo-Herrero, fisikawan di Institut Teknologi Massachusetts yang juga memimpin salah satu eksperimen baru, dan ini adalah anggota kedua keluarga itu.





Samuel Velasco / Majalah Quanta; Sumber: Atas kebaikan Pablo Jarillo-Herrero





Yang penting, “saudara” kedua ini membantu menjelaskan mekanisme yang mendasari yang bertanggung jawab atas superkonduktivitas bahan-bahan ini.



Beberapa bulan setelah penemuan tahun 2018, sekelompok ahli teori mulai memikirkan mekanisme yang membuat bilayer graphene menjadi superkonduktor. Mereka menduga bahwa satu fitur geometris tertentu dapat memungkinkan elektron berputar ke pusaran eksotis yang berperilaku dengan cara yang benar-benar baru. Mekanisme ini, yang tidak seperti salah satu dari (sedikit) sirkuit superkonduktor yang diketahui, dapat menjelaskan keberhasilan superkonduktivitas bilayer graphene, serta kegagalan bahan lain. Dia juga meramalkan bahwa tiga lapisan "saudara" graphene juga akan menjadi superkonduktor.



Tapi ini tetap hanya teori, setidaknya sampai laboratorium bisa mengujinya. “Dari apa yang kita ketahui sekarang, arah ini tampaknya menarik,” kata Eslam Khalaf , seorang peneliti Universitas Harvard yang membantu mengembangkan model tersebut. "Tidak setiap hari cara baru untuk menghasilkan superkonduktivitas muncul."

Tiga keajaiban

Dalam dunia yang kacau di mana gesekan berlimpah dan partikel tidak pernah diam, fenomena sempurna seperti superkonduktivitas tidak memiliki hak untuk ada. Namun, logam umum seperti merkuri secara teratur muncul pada suhu rendah, seperti yang ditemukan secara tidak sengaja oleh Heike Kamerling Onnes pada awal abad ke-20.



Rahasianya adalah bahwa getaran mendekati nol mutlak dalam kisi atom sebuah logam memecah elektron bebas menjadi pasangan-pasangan. Pasangan-pasangan ini berinteraksi dengan cara di mana elektron tidak dapat berinteraksi, membentuk "superfluida" mekanis kuantum tunggal yang mengalir melalui material tanpa satu pun tabrakan elektron dengan atom (yang menghasilkan panas dan resistansi). Teori asli superkonduktivitas, yang dikembangkan pada tahun 1957, menggambarkannya sebagai "tarian" elektronik canggih yang dapat diganggu oleh semua kecuali lingkungan yang paling ideal. "Ini semacam keajaiban bahwa mereka benar-benar terhubung, karena elektron sangat menolak satu sama lain," kata Ashwin Vishwanath , fisikawan teoretis di Harvard.



Pada tahun 1986, para peneliti memperhatikan elektron melakukan keajaiban kedua, kali ini dalam keluarga senyawa tembaga yang dikenal sebagai cuprates. Bahan tersebut entah bagaimana dapat mempertahankan superkonduktivitas puluhan derajat di atas suhu yang sering kali memisahkan pasangan elektron biasa. Tampaknya ada mekanisme baru yang bekerja, yang mungkin terkait terutama dengan elektron itu sendiri, dan bukan dengan kerangka atomnya.





Tim Ashwin Vishwanath menemukan cara untuk memahami superkonduktivitas dalam graphene dengan mempelajari struktur geometrisnya. Atas kebaikan Ashwin Vishwanath



Tapi setelah puluhan tahun belajar secara intensifPara peneliti masih belum yakin bagaimana elektron dalam cuprates mengatur kemampuan superkonduktor mereka. Memprediksi perilaku konglomerat elektronik melibatkan penghitungan kekuatan kasar setiap partikel satu sama lain - sebuah kalkulasi yang semakin kompleks secara eksponensial seiring dengan bertambahnya jumlah elektron. Untuk memahami bahkan partikel terkecil dari superkonduktor, ahli teori perlu memahami perilaku triliunan elektron. Simulasi saat ini dapat menangani sekitar selusin.



Penguji tidak dalam posisi terbaik saat ini. Mereka dapat menumbuhkan kristal baru dengan menukar satu atom dengan atom lainnya dan menguji sifatnya. Tetapi materi tidak mengungkapkan apa yang dilakukan elektron di dalamnya. Dan para peneliti tidak tahu bagaimana material akan berperilaku sampai mereka membuatnya. “Tidak ada yang tahu bahwa saya akan membuat [cuprate] baru ini,” kata Yankowitz, “dan memprediksi berapa [suhu di mana ia menjadi superkonduktor]. Sekarang ini adalah tugas yang sangat sulit. "



Sifat unik dari graphene bilayer bengkok membuatnya lebih transparan daripada cuprates. Alih-alih menciptakan zat yang benar-benar baru, para peneliti dapat mengubah sifat-sifat graphene hanya dengan medan listrik, yang menurut banyak peneliti menjadikannya "taman bermain" untuk superkonduktivitas.



"Ini adalah tantangan yang menarik dan fitur yang luar biasa dari graphene bilayer terpelintir," kata Subir Sachdev , fisikawan materi terkondensasi di Harvard. "Ini menyediakan seperangkat alat baru untuk mempelajari gerakan elektron."



Dia juga menawarkan panduan teoritis. Pada sudut ajaib 1,1 derajat, kisi-kisi sarang lebah graphene dihubungkan sedemikian rupa sehingga biasanya elektron cepat bergerak perlahan - fisikawan menggambarkan bahan ini sebagai "garis datar." Elektron inert menghabiskan lebih banyak waktu bersama, yang memberi mereka kesempatan untuk mengatur.



Tapi kepemimpinannya tidak jelas. Elektron dalam material dengan garis datar dapat berkomunikasi dengan banyak cara, dan pasangan superkonduktor hanyalah salah satunya. Para peneliti menumpuk banyak pelat atom pada sudut ajaib untuk menghaluskan garis-garis itu, tetapi petir superkonduktor tidak ingin terperangkap di dalam botol.



Mereka sepertinya melewatkan sesuatu yang penting.

Vortex skyrmions

Pada Maret 2018, tak lama setelah penemuan superkonduktivitas dalam graphene bengkok, Vishwanath dan rekan-rekannya berusaha untuk mengungkap sudut ajaib dan memahami apa yang dapat menyatukan elektron.



Tidak mungkin untuk menulis teori yang akan sepenuhnya mencerminkan pergerakan elektron pemberontak dalam graphene bilayer, jadi para ahli teori mulai dengan membayangkan partikel yang berperilaku sedikit lebih baik. Mereka melihat kisi graphene heksagonal sebagai dua sublattice dari segitiga. Ketika elektron berpindah dari atom ke atom, mereka biasanya "melompat" ke atom di grid yang berlawanan. Terkadang seorang pemberontak melompat ke atom di grid yang sama.









Vishwanath dan kawan-kawan bersikeras bahwa elektron selalu mengubah jaringan. Pilihan ini membuatnya lebih rapi secara matematis untuk membagi kisi heksagonal menjadi kisi segitiga. Dan dalam graphene dua lapis, dengan dua lapisannya, satu fitur tidak jelas ditemukan yang akhirnya menjadi penting: elektron, yang terkurung dengan cara ini, mulai bergerak seolah-olah berada di bawah pengaruh medan magnet. Secara khusus, elektron dalam satu sub kisi tampaknya merasakan medan magnet positif, sedangkan elektron di sub kisi lainnya merasakan medan magnet positif. Para ahli teori tidak begitu menyadari hal ini, tetapi kunci dari teori superkonduktivitas baru terletak tepat di permukaan.



Saat teori itu diterapkan mendapatkan sudut ajaib 1,1 derajat pada Agustus 2018 di bilayer graphene, Vishwanath dan rekannya mulai menambah jumlah lapisan graphene. Teori, yang awalnya dikembangkan untuk dua lapisan, diterapkan pada struktur baru jauh lebih baik dari yang diharapkan. Mereka menemukan bahwa mereka dapat menghitung sudut ajaib untuk setiap tumpukan graphene berturut-turut menggunakan hubungan sederhana yang tampaknya di luar jangkauan untuk peningkatan kompleksitas sistem yang lebih masif.



"Dalam fisika benda terkondensasi, Anda terutama memperhatikan bahwa Anda melakukan sesuatu yang sangat dekat dengan fisik atau bahkan realitas praktis, tetapi dari waktu ke waktu Anda melihat dunia yang paling ideal ini, yang tersembunyi di baliknya," kata Vishwanath.



Ketika kelompok tersebut melakukan penelitian lebih lanjut, menambahkan detail yang lebih realistis ke teori, superkonduktivitas muncul, tetapi dengan cara yang sama sekali baru. Ada kemungkinan bahwa bukan pasangan elektron yang terbentuk, tetapi aliran elektron yang dikenal sebagai skyrmions... Karena graphene bilayer terdiri dari dua lapisan, ia memiliki empat sublattices, tetapi sublattices dengan muatan magnet yang sama ini bertindak sebagai satu. Medan magnet yang efektif menyebabkan elektron yang mengunjungi atom di satu kisi cenderung membuat permukaan menjadi kasar, sedangkan elektron di kisi lain cenderung membuatnya halus. Konfigurasi ini dapat mengunci elektron pada tempatnya sehingga sistem berperilaku seperti isolator. (Menariknya, eksperimen dengan cuprates dan twisted bilayer graphene menyarankan kedua bahan tersebut bertindak sebagai isolator tepat sebelum mereka menjadi superkonduktor.)



Tetapi jika Anda mengganggu keseimbangan dengan muatan tambahan, elektron pada setiap subkisi dapat mengambil pola pusaran kolektif - skyrmion - di mana elektron yang berputar di pusat badai mengeras (atau menghaluskannya), dan tetangganya menjadi halus. secara spiral.









Meskipun ribuan elektron dapat memasuki langit-langit graphene, pusaran bertindak seolah-olah itu adalah satu partikel dengan muatan satu elektron. Anda mungkin berharap skyrmion negatif saling tolak, tetapi aturan mekanika kuantum yang mengatur bagaimana elektron "melompat" di antara dua sublattices sebenarnya menarik skyrmion pada grid yang berlawanan bersama-sama. Dengan kata lain, mereka membentuk pasangan muatan mirip elektron - persyaratan mendasar untuk superkonduktivitas.



Kunci cerita skyrmion adalah simetri rotasi 180 derajat, yang menentukan transfer elektron antara sublattice segitiga. Persegi panjang tersebut memiliki simetri yang sama. Baik segi enam dan kisi persegi panjang atau heksagonal memilikinya. Tetapi melipat dan memutar lembaran apa pun selain graphene merusak urutan itu. Akhirnya, Viswanath dan rekan-rekannya bisa menjelaskan mengapa kebun binatang beralur bengkok gagal menjadi superkonduktor.



"Itu adalah momen ketika semuanya bersatu," kata Khalaf.

Teori dan graphene

Jarillo-Herrero sudah mengira bahwa sesuatu yang baik bisa datang dari tiga lapisan. Elektron dalam material dengan garis datar bergerak cukup lambat untuk partikel bekerja sama, tetapi superkonduktivitas dapat ditingkatkan dengan "menyebarkan" garis, di mana uap bergerak lebih mudah. Untuk graphene dua lapis yang bengkok, yang pertama adalah karakteristik. Pernyataan terakhir adalah tipikal untuk graphene lapisan tunggal. Menyatukannya dapat memberi kita yang terbaik dari kedua dunia.



Kemudian muncul prediksi dari kelompok Vishwanath bahwa 1,5 derajat adalah sudut ajaib untuk menciptakan skyrmions superkonduktor dalam tiga lapisan graphene.



Dengan mengingat argumen ini, laboratorium Jarillo-Herrero serta laboratorium Philip Kimdi Harvard mulai membuat tumpukan tiga lapis lembaran graphene. Kedua laboratorium melihat semua yang diprediksi oleh para ahli teori dan banyak lagi.





Laboratorium Pablo Jarillo-Herrero





Laboratorium Philip Kim.

Sumber foto: Bryce Wickmark; Eliza Grinnell / Harvard SEAS



Jika graphene dua lapis adalah platform untuk superkonduktivitas, maka graphene tiga lapis kemudian menjadi perayaan dan festival yang nyata. Para peneliti tidak hanya dapat mengatur jumlah elektron dalam kisi, mereka juga dapat secara sewenang-wenang memindahkan elektron antar lapisan menggunakan medan listrik kedua. Dengan fleksibilitas ini, para peneliti dapat mencari sweet spot superkonduktor, membuat elektron merasa seperti mereka bergerak melalui sistem dua lapisan, sistem satu lapisan, atau sejumlah sistem hybrid.



Menggunakan kemampuan kustomisasi yang belum pernah terjadi sebelumnya ini, laboratorium telah mengonfirmasi bahwa, tidak seperti material bengkok lainnya, graphene tiga lapis lolos semua tes superkonduktivitas. Mereka juga menemukan beberapa indikasi tidak langsung bahwa superkonduktivitas terjadi dengan cara yang tidak biasa.



Pertama, elektron berinteraksi dengan sangat baik. Dalam superkonduktor konvensional, di mana kelompok atom memasangkan elektron bebas, hanya 1 elektron dalam 100.000 bergabung dengan superfluida superkonduktor. Cuprates melibatkan sekitar 1 dari 30 elektron bebas. Tetapi dalam sistem tiga lapis, menurut peneliti, setiap orang kesepuluh berpartisipasi.



Unsur-unsur dalam pasangan superkonduktor - apakah itu elektron atau skyrmion - juga cukup berdekatan. Ujung pasangan elektron dalam aluminium yang sangat dingin diberi jarak 10.000 kali jarak rata-rata antar elektron, yang seperti sup spageti panjang. Dan dalam grafena tiga lapis, pasangan superkonduktor berkumpul bersama seperti makaroni, dan elemennya sama-sama dekat dengan "mitra" dan "tetangga".



Mengingat betapa sulitnya untuk mengetahui segala sesuatu yang terjadi di dalam material pada tingkat subatomik, terlalu dini untuk mengatakan bahwa skyrmion memberikan superkonduktivitas dalam graphene multilayer. Tapi bagi Halaf, perilaku aneh yang diamati Jarillo-Herrero dan Kim bertemu dengan pusaran elektron.



Tidak seperti pasangan elektron standar, pasangan skyrmion terikat erat untuk menghasilkan superkonduktivitas yang sangat efisien. Objek komposit juga berukuran besar dan berjarak dekat.



Dan dalam logam standar, elektron, yang berada dalam keadaan yang mengharuskan adanya pilihan dari berbagai kemungkinan tindakan, menghasilkan superkonduktivitas yang kuat. Tetapi ketika para peneliti memberikan kebebasan semacam itu pada elektron dalam sistem tiga lapisan, superkonduktivitas menghilang. Menurut Khalaf, ini mungkin karena peningkatan kebebasan memungkinkan skyrmions berantakan.



“Saya kira kita tidak dapat secara pasti menganggap superkonduktor ini tidak konvensional,” kata Corey Dean., seorang fisikawan benda terkondensasi dari Universitas Columbia. Namun dia menambahkan bahwa reaksi yang tidak biasa terhadap peningkatan kebebasan "pasti mengarah ke arah yang berlawanan."



Jika simetri rotasi yang diidentifikasi oleh Vishwanath dan rekan-rekannya sangat penting bagi superkonduktivitas graphene multilayer, para ilmuwan material suatu hari nanti dapat menggunakan fakta ini untuk mengarahkan diri mereka ke bidang yang terdiri dari miliaran material yang mungkin dan menemukan kisi yang dapat menahan elektron bersama-sama. di hari yang hangat.



Muatan dalam graphene bengkok terlalu tipis didistribusikan di seluruh sel moire raksasa untuk superkonduktivitas pada suhu tinggi, tetapi ikatan yang menahan mereka bersama - apakah skyrmion atau apa pun - tampak kuat. Para peneliti berharap bahwa studi lebih lanjut tentang graphene bengkok dan teori yang menjelaskan sifatnya yang tidak biasa akan menjelaskan superkonduktivitasnya yang andal dan menunjukkan jalan ke kisi yang dapat menyerap lebih banyak panas.



"Jika Anda mendapatkan efek yang sama pada skala atom, maka itu akan benar-benar berlaku," kata Sachdev. (Saya menghilangkannya, meringkasnya)