Fysiker vid MIT har observerat direkt bevis för okonventionell supraledning i magi-vinkel-vridet tre-lager grafen, vilket avslöjar en distinkt V-formad energigap. Detta genombrott tyder på elektronparning driven av starka interaktioner snarare än gittervibrationer. Resultaten, publicerade i Science, kan bana väg för supraledare vid rumstemperatur.
Supraledare gör det möjligt för elektricitet att flöda utan motstånd, och driver teknologier som MRI-skannrar och partikelacceleratorer. Konventionella sådana kräver dock extremt låga temperaturer, vilket begränsar deras användning. Forskare söker okonventionella material som kanske fungerar under varmare förhållanden, och potentiellt revolutionerar energinät och kvantdatorer.
I ett nyckelgenombrott studerade MIT-fysiker magi-vinkel-vridet tre-lager grafen (MATTG), som skapas genom att stapla tre atomtunna grafenflak i en precis vinkel. Denna konfiguration förändrar materialets egenskaper och främjar kvanteffekter. Tidigare arbete antydde okonventionell supraledning i MATTG, men den nya studien ger den tydligaste bekräftelsen hittills.
Teamet mätte supraledningsgapet, som visar styrkan i supraledningstillståndet. Till skillnad från det släta, platta gapet i konventionella supraledare bildar MATTG:s gap en skarp V-form, vilket indikerar en annan mekanism. "Supraledningsgapet ger oss en ledtråd till vilken typ av mekanism som kan leda till saker som rumstemperatursupraledare som slutligen kommer att gynna det mänskliga samhället," säger medförfattaren Shuwen Sun, doktorand vid MIT:s fysikavdelning.
Med en ny uppsättning som kombinerar tunnel spektroskopi och elektriska transportmätningar bekräftade forskarna att gapet bara uppstår vid nollmotstånd, vilket är supraledningens kännetecken. När temperaturer och magnetfält ändrades höll V-formen i sig, vilket pekar på elektronpar som är tätt bundna som molekyler.
"I konventionella supraledare är elektronerna i dessa par långt ifrån varandra och svagt bundna," förklarar medförfattaren Jeong Min Park, PhD '24. "Men i magi-vinkel-grafen kunde vi redan se tecken på att dessa par är mycket tätt bundna, nästan som en molekyl."
Denna parning härrör troligen från starka elektroniska interaktioner, inte atomvibrationer. Upptäckten bygger på experiment från 2018 av huvudförfattaren Pablo Jarillo-Herreros grupp, som lanserade twistronics – ett fält som utforskar vridna ultratunna material.
"Att förstå en okonventionell supraledare mycket väl kan utlösa vår förståelse av de övriga," säger Jarillo-Herrero, Cecil and Ida Green-professor i fysik vid MIT. "Denna förståelse kan vägleda designen av supraledare som fungerar vid rumstemperatur, till exempel, vilket är en sorts heliga graal för hela fältet."
Teamet planerar att tillämpa sin teknik på andra 2D-material, med målet att upptäcka nya kvantfaser och avancera teknologier som effektiva kraftsystem och kvantberäkning. Forskningen publiceras i Science (DOI: 10.1126/science.adv8376).