Физици постигат свръхпроводимост и още нещо от квазикристали

Ваня Милева Последна промяна на 03 октомври 2023 в 00:00 7983 0

Изображение на квазикристал с моаре (централната колона), създаден от три припокриващи се листа от тънък един атом графен.

Кредит Sergio C. de la Barrera, University of Toronto

Изображение на квазикристал с моаре (централната колона), създаден от три припокриващи се листа от тънък един атом графен.

В изследване, което може да даде тласък на интереса към един загадъчен клас материали, квазикристалите, е открит сравнително прост и гъвкав начин за създаване на нови материали от тънки един атом графени, които могат да бъдат настройвани така, че да проявават свръхпроводимост и други важни явления.

Работата на учени от Масачузетския технологичен институт и техни колеги е публикувана в Nature.

Изследването въвежда нова платформа не само за проучване за квазикристалите, но и за изследване на екзотични явления, които могат да бъдат трудни за изучаване, но могат да доведат до важни приложения и нова физика.

Например по-доброто разбиране на свръхпроводимостта, при която електроните преминават през материала без съпротивление, може да позволи създаването на много по-ефективни електронни устройства.

Работата обединява две несвързани досега области: квазикристали и туистроника - област, въведена от Масачузетския технологичен институт (MIT) само преди около пет години от Пабло Харильо-Хереро (Pablo Jarillo-Herrero), професор по физика в Масачузетския технологичен институт и автор на статията.

"Наистина е необичайно, че областта на туистрониката продължава да прави неочаквани връзки с други области на физиката и химията, в този случай с красивия и екзотичен свят на квазипериодичните кристали", коментира Харильо-Хереро, който също така е свързан с Лабораторията за изследване на материалите на MIT и Изследователската лаборатория за електроника на MIT.

Малко туист?

Туистрониката включва атомно тънки слоеве от материали, поставени един върху друг. Завъртането или усукването на един или повече от слоевете под малък ъгъл създава уникален модел (патерн), наречен моаре суперрешетка. А моаре моделът от своя страна оказва влияние върху поведението на електроните.

"Той променя спектъра на енергийните нива, достъпни за електроните, и може да осигури условия за възникване на интересни явления", разказва Серхио де ла Барера (Sergio C. de la Barrera), един от четиримата съавтори на последната статия.

Де ла Барера, който провежда работата, докато е постдокторант в Масачузетския технологичен институт, сега е асистент в Университета в Торонто.

Една моаре система може да бъде пригодена за различни поведения и чрез промяна на броя на електроните, добавени към системата. В резултат на това през последните пет години областта на туистрониката се разви скокообразно като изследователи от цял свят започват да я прилагат за създаване на нови тънки атом квантови материали.

Примерите за открития, свързани с усукването на графени, т.е. с областта на туистрониката, само от Масачузетския технологичен институт не са малко:

* Превръщане на един материал, известен като двуслоен графен с магически усукан ъгъл, в три различни - и полезни - електронни устройства. (Daniel Rodan-Legrain et al. Highly tunable junctions and non-local Josephson effect in magic-angle graphene tunnelling devices, Nature Nanotechnology (2021). DOI: 10.1038/s41565-021-00894-4)

* Инженериране на ново свойство, фероелектричност, в добре познато семейство полупроводници. (Kenji Yasuda et al, Stacking-engineered ferroelectricity in bilayer boron nitride, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abd3230).

* Предвиждане на нови екзотични магнитни явления, придружено от "рецепта" за реализирането им. (Nisarga Paul et al, Giant proximity exchange and flat Chern band in 2D magnet-semiconductor heterostructures, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.abn1401)

Към нови квазикристали

В настоящата работа изследователите се занимават с моаре система, направена от три листа графен. Графенът е съставен от един слой въглеродни атоми, подредени в шестоъгълници, наподобяващи структура на пчелна пита. В този случай екипът е наслоил три листа графен един върху друг, но е усукал два от тях под малко по-различни ъгли.

За тяхна изненада системата създава квазикристал - необичаен клас материал, открит през 80-те години на миналия век. Както подсказва името, квазикристалите са нещо средно между кристал, например диамант, който има регулярна повтаряща се структура, и аморфен материал, например стъкло, "където всички атоми са разбъркани или случайно подредени", казва де ла Барера.

Накратко, квазикристалите "имат наистина странни модели", коментира де ла Барера.

В сравнение с кристалите и аморфните материали обаче за квазикристалите се знае сравнително малко, отчасти  дължащо се и на това, че са трудни за създаване. "Това не означава, че не са интересни, а че не сме им обърнали толкова внимание, особено на електронните им свойства", отбелязва де ла Барера. Новата платформа, която е сравнително проста, може да промени това.

Квазикристалите

Квазикристал Квазикристал
Дифракционна електронна картина на квазикристал Ho-Mg-Zn. Снимка: Ron Lifschitz, Cornell University Кристал на сплав Ho-Mg-Zn (холмий, манган, цинк) - икосаедричен квазикристал във форма на додекаедър, който е дуален на икосаедъра.  Снимка: stanford.edu

Едва ли има друго откритие, което се е сблъскало с толкова скептицизъм и подигравки, преди да спечели широко признание, както откритието на квазикристалите на израелския учен Дан Шехтман.

Днес той е носител на Нобелова награда за химия, а откритието му е общопризнато за фундаментален пробив.

Типичният кристал има редовна, повтаряща се структура, като шестоъгълниците в пчелна пита. Квазикристалът все още е подреден, но неговите модели никога не се повтарят. (Още по-удивително е, че квазикристалите са кристали от по-високи измерения, проектирани или смалени в по-ниски измерения. Тези по-високи измерения могат да бъдат дори извън трите измерения на физическото пространство: Например двуизмерната мозайка на Пенроуз е проектирано парче от 5-измерна решетка).

Квазикристал Атомен модел на повърхността на квазикристал (Al-Pd-Mn).Снимка: wikipedia Квазикристал Мозайка на Пенроуз "двата ромба". Илюстрация: quadibloc.com КвазикристалФрагмент от средновековна ислямска мозайка, Исфахан, Иран. Снимка: math.ucr.edu

Тъй като първоначалните изследователи не са експерти в областта на квазикристалите, те се обръщат към човек, който е специалист: Професор Рон Лифшиц (Ron Lifshitz) от Университета в Тел Авив. Авирам Ури (Aviram Uri), един от съавторите на статията и постдокторант на MIT, е бил студент на Лифшиц по време на бакалавърската си степен в Тел Авив и е знаел за работата му върху квазикристалите. Лифшиц, който също е автор на статията в Nature, помага на екипа да разбере по-добре това, което разглеждат, което те наричат моаре квазикристал.

След това физиците настройват моаре квазикристала, за да го направят свръхпроводим или да предават ток без никакво съпротивление под определена ниска температура. Това е важно, тъй като свръхпроводимите устройства биха могли да пренасят ток през електронни устройства много по-ефективно, отколкото е възможно днес, но явлението все още не е напълно разбрано във всички случаи. Новата моаре квазикристална система дава нов начин за изучаването му.

Екипът открива и доказателства за нарушаване на симетрията - друго явление, което "ни казва, че електроните взаимодействат помежду си много силно. А като физици и учени в областта на квантовите материали искаме нашите електрони да взаимодействат помежду си, защото именно там се случва екзотичната физика", казва де ла Барера.

В крайна сметка "чрез дискусии на различни области успяхме да разшифроваме това нещо и сега смятаме, че имаме добра представа за това, което се случва", разказва Ури, въпреки че отбелязва, че "все още не разбираме напълно системата. Все още има доста загадки."

Най-хубавата част от изследването е "решаването на пъзела какво всъщност сме създали", добавя де ла Барера. "Очаквахме [нещо друго], така че бе много приятна изненада, когато разбрахме, че всъщност разглеждаме нещо много ново и различно."

Справка: Aviram Uri et al, Superconductivity and strong interactions in a tunable moiré quasicrystal, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06294-z

Източник: Physicists coax superconductivity and more from quasicrystals, Elizabeth A. Thomson, Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !