Szczelina w kształcie litery V
Zespół badawczy opracował nowatorską platformę eksperymentalną, która połączyła techniki tunelowania elektronów z pomiarami transportu elektrycznego. Dzięki temu udało się po raz pierwszy bezpośrednio zmierzyć szczelinę superprzewodzącą w grafenie trójwarstwowym o magicznym kącie skręcenia. Okazało się, iż profil tej szczeliny przypomina kształt litery V, co stanowi wyraźny kontrast w porównaniu z jednolitym, płaskim profilem charakterystycznym dla tradycyjnych nadprzewodników. Poza tym, badacze zaobserwowali równoczesne występowanie dwóch różnych szczelin tunelowych – jednej związanej z niskoprogową nadprzewodnością, która zanika w krytycznej temperaturze, oraz drugiej o wyższej energii, określanej jako pseudoszczelina.
Czytaj też: Nadprzewodzący german. Zmienili półprzewodnik w nadprzewodnik w niespodziewanym eksperymencie
W konwencjonalnych nadprzewodnikach elektrony w tych parach są bardzo odległe od siebie i słabo związane. Ale w grafenie o magicznym kącie mogliśmy już dostrzec sygnatury, że te pary są bardzo ściśle związane, niemal jak cząsteczka – tłumaczy Jeong Min Park
Różnica ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia natury zjawiska. Podczas gdy w standardowych superprzewodnikach pary Coopera utrzymują się w luźnym związku na dużą odległość, w badanej formie grafenu tworzą one struktury przypominające zwarte cząsteczki.
Elektrony tworzące własne pary
Mechanizm powstawania nadprzewodnictwa w tym materiale wydaje się działać na zupełnie innych zasadach. W konwencjonalnych układach to drgania sieci krystalicznej pełnią rolę „swatów” łączących elektrony w pary. W grafenie o magicznym kącie sytuacja wygląda inaczej. Ten alternatywny mechanizm może mieć kluczowe znaczenie dla uzyskania wyższych temperatur przejścia w stan nadprzewodzący. Obserwacja efektu Wołowika oraz liniowego zachowania podczas wypełniania szczeliny pod wpływem zmian temperatury i pola magnetycznego dostarcza dodatkowych argumentów za niekonwencjonalnym charakterem zjawiska.
Obecnie stosowane nadprzewodniki wymagają ekstremalnie niskich temperatur, często zbliżonych do zera absolutnego, co znacząco ogranicza zakres ich praktycznego zastosowania. Konieczność stosowania skomplikowanych układów chłodzenia ciekłym helem lub azotem czyni je niepraktycznymi dla większości potencjalnych zastosowań. Gdyby udało się uzyskać materiał nadprzewodzący w temperaturze pokojowej, otworzyłoby to drogę do stworzenia bezstratnych sieci energetycznych, w których prąd mógłby płynąć na setki kilometrów bez żadnych strat. Kolejną obiecującą perspektywą są komputery kwantowe, które nie wymagałyby tak skomplikowanej i energochłonnej infrastruktury chłodzącej.
Czytaj też: Światło, które porusza atomy. Nowe odkrycie może zmienić przyszłość elektroniki
Bardzo dobre zrozumienie jednego niekonwencjonalnego nadprzewodnika może zapoczątkować nasze zrozumienie pozostałych. To zrozumienie może kierować projektowaniem nadprzewodników, które działają w temperaturze pokojowej, co jest swego rodzaju Świętym Graalem całej dziedziny – podsumowuje Pablo Jarillo-Herrero, główny autor badania
Zespół pod kierunkiem Jarillo-Herrero ma już na koncie znaczące osiągnięcia w tej dziedzinie. W 2018 roku tamtejsi naukowcy jako pierwsi uzyskali grafen o magicznym kącie, co dało początek nowej gałęzi badań nazwanej twistoniką. Od tamtej pory naukowcy na całym świecie badają właściwości dwuwymiarowych materiałów układanych pod różnymi kątami, odkrywając kolejne fascynujące zjawiska kwantowe. Nowa platforma pomiarowa nie tylko umożliwia identyfikację podstawowych struktur elektronowych, ale dodatkowo pozwala śledzić ich zachowanie w czasie rzeczywistym. Badacze zamierzają wykorzystać ją d