Fisikawan MIT telah menemukan bahwa graphene tiga lapis ‘sudut ajaib’ mungkin merupakan superkonduktor tahan magnet yang langka.

Temuan baru dapat membantu merancang mesin MRI yang lebih kuat atau komputer kuantum yang kuat.

Fisikawan di Massachusetts Institute of Technology telah memperhatikan tanda-tanda jenis superkonduktivitas yang langka dalam bahan yang disebut graphene tiga lapis sudut-ajaib bengkok. Dalam sebuah penelitian yang muncul di alamPara peneliti melaporkan bahwa bahan tersebut menunjukkan superkonduktivitas dalam medan magnet yang sangat tinggi hingga 10 Tesla, yang tiga kali lebih tinggi dari bahan yang diharapkan untuk bertahan jika itu adalah superkonduktor konvensional.

Hasilnya sangat menyarankan bahwa graphene tiga lapis ajaib, yang awalnya ditemukan oleh kelompok yang sama, adalah jenis superkonduktor yang sangat langka, yang dikenal sebagai “spin triplet”, tahan terhadap medan magnet tinggi. Superkonduktor eksotis semacam itu dapat sangat meningkatkan teknik seperti pencitraan resonansi magnetik, yang menggunakan kabel superkonduktor di bawah medan magnet untuk beresonansi dengan jaringan biologis dan menggambarkannya. Mesin MRI saat ini terbatas pada medan magnet dari 1 hingga 3 Tesla. Jika mereka dapat dibangun menggunakan superkonduktor tiga putaran, MRI dapat beroperasi di bawah medan magnet yang lebih tinggi untuk menghasilkan gambar tubuh manusia yang lebih jelas dan lebih dalam.

Bukti baru untuk superkonduktivitas tiga putaran dalam graphene berlapis tiga juga dapat membantu para ilmuwan merancang superkonduktor yang lebih kuat untuk komputasi kuantum praktis.

“Nilai dari eksperimen ini adalah apa yang diajarkannya tentang superkonduktivitas dasar, dan bagaimana bahan dapat berperilaku, sehingga dengan pelajaran ini kami dapat mencoba merancang prinsip untuk bahan lain yang lebih mudah dibuat, dan mungkin itu akan memberi Anda superkonduktivitas yang lebih baik, ” kata Pablo Jarillo-Herrero, Cecil dan Profesor Fisika Ida Green di Massachusetts Institute of Technology.

Rekan penulis di atas kertas termasuk Yuan Kao dan mahasiswa pascasarjana Jeong Min Park di Institut Teknologi Massachusetts, Kenji Watanabe dan Takashi Taniguchi dari Institut Nasional Ilmu Material di Jepang.

transformasi aneh

Bahan superkonduktor didefinisikan oleh kemampuannya yang sangat efisien untuk menghantarkan listrik tanpa kehilangan energi. Saat terkena arus listrik, elektron dalam superkonduktor berpasangan dalam “pasangan tembaga” yang kemudian berjalan melalui material tanpa hambatan, seperti penumpang di kereta cepat.

Di sebagian besar superkonduktor, pasangan penumpang ini memiliki putaran yang berlawanan, dengan satu elektron berputar ke atas dan yang lainnya ke bawah — konfigurasi yang dikenal sebagai “spin singular”. Pasangan ini dipercepat oleh superkonduktor, kecuali medan magnet tinggi, yang dapat menggeser energi setiap elektron ke arah yang berlawanan, memisahkan pasangan dari satu sama lain. Dengan cara ini, dan melalui mekanisme, medan magnet yang tinggi dapat mengganggu superkonduktivitas dalam superkonduktor spin konvensional.

“Ini adalah alasan utama mengapa superkonduktivitas menghilang dalam medan magnet yang cukup besar,” kata Park.

Tetapi ada beberapa superkonduktor aneh yang tidak terpengaruh oleh medan magnet, bahkan kekuatannya sangat besar. Bahan-bahan ini bersifat superkonduktor melalui pasangan elektron yang memiliki putaran yang sama – suatu sifat yang dikenal sebagai “spin tiga kali”. Ketika terkena medan magnet tinggi, energi kedua elektron dalam pasangan Cooper bergeser ke arah yang sama, sedemikian rupa sehingga mereka tidak terpisah satu sama lain tetapi terus superkonduktor tanpa gangguan, terlepas dari kekuatan medan magnet.

Kelompok Jarillo-Herrero ingin tahu apakah graphene sudut-ajaib berlapis tiga dapat memberikan petunjuk tentang superkonduktivitas tiga putaran yang tidak biasa. Tim telah menghasilkan karya inovatif yang mempelajari struktur graphene moiré – lapisan kisi karbon setipis atom yang, ketika ditumpuk pada sudut tertentu, dapat menyebabkan perilaku elektronik yang mengejutkan.

Para peneliti awalnya melaporkan sifat aneh seperti itu dalam dua lembar graphene bersudut, yang mereka sebut graphene bilayer ajaib. Mereka segera mengikuti tes graphene tri-layer, formasi sandwich dari tiga lembar graphene yang ditemukan lebih kuat daripada rekan dua lapisnya, sambil mempertahankan superkonduktivitasnya pada suhu yang lebih tinggi. Ketika para peneliti menerapkan medan magnet sederhana, mereka memperhatikan bahwa graphene tiga lapis mampu melakukan superkonduktor pada kekuatan medan yang akan menghancurkan superkonduktivitas di graphene bilayer.

“Kami pikir ini adalah hal yang sangat aneh,” kata Jarilo Herrero.

comeback yang ajaib

Dalam studi baru mereka, para fisikawan menguji superkonduktivitas graphene tiga lapis di bawah medan magnet yang semakin tinggi. Mereka membuat material dengan mengelupas lapisan tipis karbon dari blok grafit, menumpuk tiga lapisan bersama-sama, dan memutar lapisan tengah sebesar 1,56 derajat sehubungan dengan lapisan luar. Mereka menempelkan elektroda ke kedua ujung material untuk mengalirkan arus melaluinya dan mengukur energi yang hilang dalam proses tersebut. Kemudian mereka menyalakan magnet besar di lab, dengan medan yang mereka arahkan sejajar dengan materi.

Ketika mereka meningkatkan medan magnet di sekitar graphene tiga lapis, mereka memperhatikan bahwa superkonduktivitas bertahan cukup kuat sebelum menghilang, tetapi kemudian muncul kembali secara menarik pada kekuatan medan yang lebih tinggi – kebangkitan yang sangat tidak biasa yang tidak diketahui terjadi pada superkonduktor konvensional.

“Dalam superkonduktor putaran tunggal, jika Anda membunuh superkonduktivitas, itu tidak akan pernah kembali – itu hilang selamanya,” kata Kao. “Di sini, dia muncul kembali. Jadi ini jelas menunjukkan bahwa bahan ini tidak sepotong-sepotong.”

Mereka juga mencatat bahwa setelah “masuk kembali”, superkonduktivitas bertahan hingga 10 Tesla, kekuatan medan maksimum yang dapat dihasilkan oleh magnet laboratorium. Ini sekitar tiga kali lebih tinggi dari apa yang superkonduktor harus tahan jika itu adalah putaran tunggal konvensional, menurut batas Pauli, sebuah teori yang memprediksi medan magnet maksimum di mana suatu material dapat mempertahankan superkonduktivitas.

Munculnya superkonduktivitas graphene tiga lapis, dikombinasikan dengan stabilitasnya di medan magnet yang lebih tinggi dari perkiraan, mengesampingkan kemungkinan bahwa material tersebut adalah superkonduktor biasa. Sebaliknya, kemungkinan besar spesies ini sangat langka, mungkin triplet, yang menjadi tuan rumah pasangan Cooper yang melaju cepat melalui materi, kedap terhadap medan magnet tinggi. Tim berencana untuk mengebor material untuk mengkonfirmasi keadaan putaran yang tepat, yang dapat membantu merancang MRI yang lebih kuat, serta komputer kuantum yang lebih kuat.

“Komputasi kuantum biasa sangat rapuh,” kata Jarillo Herrero. “Anda melihatnya dan itu menghilang homo. Sekitar 20 tahun yang lalu, para ahli teori mengusulkan jenis superkonduktivitas topologi yang, jika dicapai dalam bahan apa pun, dapat [enable] Komputer kuantum di mana negara bagian yang bertanggung jawab untuk perhitungan sangat kuat. Ini akan memberikan lebih banyak kekuatan tak terbatas untuk melakukan komputasi. Elemen kunci yang harus diperhatikan adalah superkonduktor spin tiga, dari jenis tertentu. Kami tidak tahu apakah spesies kami seperti itu. Tetapi bahkan jika ini tidak terjadi, ini dapat memfasilitasi penempatan graphene tiga lapis dengan bahan lain untuk merekayasa jenis superkonduktivitas ini. Ini bisa menjadi peretasan yang hebat. Tapi ini masih terlalu dini.”

Referensi: “Pelanggaran batas Pauli dan masuknya kembali superkonduktivitas ke dalam grafena riak” Oleh Yuan Kao, Taman Jeong Min, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, dan Pablo Jarillo-Herrero, 21 Juli 2021, alam.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-y

Penelitian ini didukung oleh Departemen Energi AS, National Science Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation, Ramon Arises Foundation, dan Sevare Quantum Materials Program.