После некоторого тщательного скручивания и укладки физики Массачусетского технологического института обнаружили новое и экзотическое свойство графена с «магическим углом»: сверхпроводимость, которую можно включать и выключать электрическим импульсом, подобно выключателю света.
Открытие может привести к созданию сверхбыстрых и энергоэффективных сверхпроводящих транзисторов для нейроморфных устройств — электроники, предназначенной для работы аналогично быстрому включению/выключению нейронов в человеческом мозгу.
Графен под магическим углом относится к очень специфической укладке графена — материалу толщиной в атом, состоящему из атомов углерода, которые связаны в гексагональный узор, напоминающий проволочную сетку. Когда один лист графена укладывается поверх второго листа под точным «магическим» углом, скрученная структура создает слегка смещенный «муаровый» узор или сверхрешетку, которая способна поддерживать множество удивительных электронных свойств.
В 2018 году Пабло Харилло-Эрреро и его группа из Массачусетского технологического института первыми продемонстрировали двухслойный графен, скрученный под магическим углом. Они показали, что новая двухслойная структура может вести себя как изолятор, подобно дереву, при приложении определенного непрерывного электрического поля. Когда они увеличили поле, изолятор внезапно превратился в сверхпроводник, позволяя электронам течь без трения.
Это открытие стало переломным моментом в области твистоники, которая исследует, как определенные электронные свойства возникают в результате скручивания и наслоения двумерных материалов. Исследователи, в том числе Харилло-Эрреро, продолжали обнаруживать удивительные свойства графена с магическим углом, в том числе различные способы переключения материала между различными электронными состояниями. До сих пор такие «переключатели» действовали скорее как диммеры, поскольку исследователи должны постоянно прикладывать электрическое или магнитное поле, чтобы включить сверхпроводимость и поддерживать ее включенной.
Теперь Харилло-Эрреро и его команда показали, что сверхпроводимость в графене под магическим углом может быть включена и поддерживаться коротким импульсом, а не непрерывным электрическим полем. Ключевым моментом, как они обнаружили, была комбинация скручивания и укладки.
В бумага появится сегодня в Природа Нанотехнологиикоманда сообщает, что, укладывая графен под магическим углом между двумя смещенными слоями нитрида бора — двумерного изоляционного материала — уникальное выравнивание многослойной структуры позволило исследователям включать и выключать сверхпроводимость графена с помощью короткого электрического импульса.
«Для подавляющего большинства материалов, если убрать электрическое поле, zzzzip, электрическое состояние исчезнет», — говорит Харилло-Эрреро, профессор физики Массачусетского технологического института имени Сесила и Иды Грин. «Впервые был создан сверхпроводящий материал, который можно резко включать и выключать электрически. Это может проложить путь к новому поколению скрученной сверхпроводящей электроники на основе графена».
Его соавторами в Массачусетском технологическом институте являются ведущий автор Далия Кляйн, доктор философии 21 года, аспирант Ли-Цяо Ся и бывший постдокторант Дэвид Макнейл, а также Кенджи Ватанабэ и Такаши Танигути из Национального института материаловедения в Японии.
Переключение переключателя
В 2019 году команда Стэнфордского университета обнаружила, что графен под магическим углом можно перевести в ферромагнитное состояние. Ферромагнетики — это материалы, сохраняющие свои магнитные свойства даже в отсутствие внешнего магнитного поля.
Исследователи обнаружили, что графен под магическим углом может проявлять ферромагнитные свойства таким образом, что их можно включать и выключать. Это произошло, когда листы графена были уложены между двумя листами нитрида бора так, что кристаллическая структура графена была выровнена по одному из слоев нитрида бора. Расположение напоминало бутерброд с сыром, в котором верхний ломтик хлеба и сыр выровнены, но нижний ломтик хлеба повернут под случайным углом по отношению к верхнему ломтику. Результат заинтриговал группу MIT.
«Мы пытались получить более сильный магнит, выравнивая оба среза», — говорит Харилло-Эрреро. «Вместо этого мы нашли нечто совершенно другое».
В своем текущем исследовании команда изготовила сэндвич из тщательно сложенных под углом материалов. «Сыр» сэндвича состоял из графена под магическим углом — два листа графена, верхний немного повернут на «магический» угол в 1,1 градуса по отношению к нижнему листу. Над этой структурой они поместили слой нитрида бора, точно выровняв его с верхним листом графена. Наконец, они поместили второй слой нитрида бора ниже всей конструкции и сместили его на 30 градусов по отношению к верхнему слою нитрида бора.
Затем команда измерила электрическое сопротивление слоев графена при подаче напряжения на затвор. Они обнаружили, как и другие, что скрученный двухслойный графен меняет электронные состояния, переходя между изолирующим, проводящим и сверхпроводящим состояниями. при определенных известных напряжениях.
Чего группа не ожидала, так это того, что каждое электронное состояние сохраняется, а не сразу исчезает после снятия напряжения — свойство, известное как бистабильность. Они обнаружили, что при определенном напряжении слои графена превращались в сверхпроводник и оставались сверхпроводящими даже после того, как исследователи сняли это напряжение.
Этот бистабильный эффект предполагает, что сверхпроводимость может включаться и выключаться короткими электрическими импульсами, а не постоянным электрическим полем, подобно щелчку выключателя. Неясно, что обеспечивает эту переключаемую сверхпроводимость, хотя исследователи подозревают, что это как-то связано с особым расположением скрученного графена к обоим слоям нитрида бора, что обеспечивает сегнетоэлектрическую реакцию системы. (Сегнетоэлектрические материалы проявляют бистабильность в своих электрических свойствах.)
«Обратив внимание на компоновку, вы могли бы добавить еще одну ручку настройки к растущей сложности сверхпроводящих устройств с магическим углом», — говорит Кляйн.
На данный момент команда рассматривает новый сверхпроводящий переключатель как еще один инструмент, который исследователи могут использовать при разработке материалов для более быстрой, компактной и энергоэффективной электроники.
«Люди пытаются создавать электронные устройства, которые выполняют вычисления так, как это делает мозг», — говорит Харилло-Эрреро. «В мозгу у нас есть нейроны, которые срабатывают после определенного порога. Точно так же мы теперь нашли способ для графена под магическим углом резко переключать сверхпроводимость выше определенного порога. Это ключевое свойство в реализации нейроморфных вычислений».
Это исследование было частично поддержано Управлением научных исследований ВВС США, Управлением исследований армии США и Фондом Гордона и Бетти Мур.
