Ερευνητές από το Ομοσπονδιακό Πολυτεχνείο της Λωζάνης, το Ελεύθερο Πανεπιστήμιο του Βερολίνου και άλλα ιδρύματα ανακάλυψαν πρόσφατα ισχυρή υπεραγωγιμότητα σε ένα πλέγμα supermoiré.
Πρόκειται για μια δομή τριπλής στρώσης στριμμένου γραφενίου με σπασμένη συμμετρία, στην οποία αλληλοεπικαλύπτονται πολλά μοτίβα moiré. Η μελέτη αυτή, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό «Nature Physics», ενδέχεται να ανοίξει νέους δρόμους για τον σχεδιασμό κβαντικών υλικών.
Η τυχαία ανακάλυψη μιας σύνθετης δομής
Η δημιουργία αυτού του συστήματος δεν ήταν ο αρχικός στόχος της ομάδας. Οι ερευνητές σκόπευαν να κατασκευάσουν μια συσκευή όπου οι δύο γωνίες συστροφής μεταξύ των στρωμάτων γραφενίου θα ήταν πανομοιότυπες.
Ωστόσο, κατά τη διάρκεια των μετρήσεων, ο φοιτητής Zekang Zhou παρατήρησε ότι το διάγραμμα φάσης της συσκευής διέφερε θεμελιωδώς από το αναμενόμενο. Τα σήματα παρουσίαζαν ασυμμετρία σε σχέση με το ηλεκτρικό πεδίο μετατόπισης, υποδεικνύοντας ότι η συμμετρία κατόπτρου είχε παραβιαστεί.
Αυτή η απρόσμενη εξέλιξη αποκάλυψε ότι ο βαθμός ελευθερίας του supermoiré παρέχει έναν ισχυρό νέο τρόπο για τη μηχανική και την εξερεύνηση νέων κβαντικών φάσεων σε συστήματα που βασίζονται στο γραφένιο.
Ανίχνευση της υπεραγωγιμότητας σε χαμηλές θερμοκρασίες
Ο κύριος στόχος της μελέτης έγινε η διαπίστωση του αν θα μπορούσε να αναδυθεί ισχυρή υπεραγωγιμότητα σε ένα τέτοιο σύστημα. Οι ερευνητές πραγματοποίησαν μετρήσεις ηλεκτρικής μεταφοράς σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, χαρτογραφώντας το πλήρες διάγραμμα φάσης του συστήματος.
Παρατήρησαν μια δραματική πτώση της ηλεκτρικής αντίστασης, σχεδόν στο μηδέν, γεγονός που υποδηλώνει την εμφάνιση υπεραγώγιμων καταστάσεων.
Για να επαληθεύσουν το εύρημα, διεξήγαγαν μετρήσεις εξαρτώμενες από τη θερμοκρασία, οι οποίες έδειξαν ότι η κατάσταση μηδενικής αντίστασης καταστέλλεται σταδιακά καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται. Επιπλέον, παρατηρήθηκε έντονη μη γραμμική συμπεριφορά μεταφοράς, με το σύστημα να μεταβαίνει από την υπεραγώγιμη στην κανονική κατάσταση πάνω από ένα κρίσιμο ρεύμα.
Επιβεβαίωση του πλέγματος μέσω ταλαντώσεων Brown-Zak
Οι μετρήσεις έδειξαν ότι η υπεραγωγιμότητα παρέμενε ισχυρή παρά τη σπασμένη συμμετρία. Η ομάδα ταυτοποίησε την παρουσία του πλέγματος supermoiré μέσω των ταλαντώσεων «Brown-Zak».
Πρόκειται για επαναλαμβανόμενα μοτίβα στην ηλεκτρική αντίσταση που εμφανίζονται όταν τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα σε ένα υλικό υπό μαγνητικό πεδίο και συγχρονίζονται με ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο πλέγματος. Αυτές οι ταλαντώσεις επιβεβαίωσαν ότι οι στρώσεις γραφενίου σχημάτισαν μια μεγαλύτερη περιοδική δομή supermoiré.
Νέες προοπτικές στον σχεδιασμό κβαντικών υλικών
Τα ευρήματα αποδεικνύουν ότι η παρεμβολή μεταξύ διαφορετικών πλεγμάτων moiré αποτελεί έναν νέο βαθμό ελευθερίας. Αυτό όχι μόνο διευκολύνει τη βαθύτερη κατανόηση των κβαντικών φάσεων, αλλά επιτρέπει επίσης τον σχεδιασμό νέων κβαντικών καταστάσεων.
Η έρευνα αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη κβαντικών συσκευών και άλλων τεχνολογιών αιχμής με εντελώς νέες ηλεκτρονικές ιδιότητες.
Επόμενο βήμα για την επιστημονική ομάδα είναι η διερεύνηση της μικροσκοπικής προέλευσης της υπεραγωγιμότητας σε αυτό το σύστημα, καθώς παραμένει αναπάντητο το ερώτημα γιατί παρατηρείται τόσο ισχυρή υπεραγωγιμότητα υπό αυτές τις συγκεκριμένες συνθήκες.