Fisika Memutar: Terobosan Superkonduktivitas Kuasikristalin di MIT

Platform baru yang fleksibel dapat menciptakan material misterius dan mengarah pada studi baru tentang fenomena aneh.

Dalam penelitian yang mungkin memicu minat pada kelas material misterius yang dikenal sebagai quasicrystals, Institut Teknologi Massachusetts Para ilmuwan dan koleganya telah menemukan cara yang relatif sederhana dan fleksibel untuk menciptakan versi atom baru yang tipis dan dapat disesuaikan agar sesuai dengan fenomena yang diteliti. Dalam pekerjaan yang dilaporkan dalam jurnal edisi terbaru alammereka menjelaskan tindakan tersebut untuk membuat material tersebut menunjukkan superkonduktivitas dan banyak lagi.

Penelitian ini menyediakan platform baru tidak hanya untuk mempelajari lebih lanjut tentang quasicrystals, tetapi juga untuk mengeksplorasi fenomena eksotik yang mungkin sulit dipelajari namun dapat mengarah pada penerapan penting dan fisika baru. Misalnya, pemahaman yang lebih baik tentang superkonduktivitas, di mana elektron melewati suatu material tanpa hambatan, dapat memungkinkan perangkat elektronik menjadi lebih efisien.

Gambar quasicrystal moiré (kolom tengah) yang dibuat oleh tiga lembar graphene tipis atom yang tumpang tindih. Kredit: Sergio C. De la Barrera/Universitas Toronto

Twistronics dan hubungannya dengan quasicrystals

Karya ini menyatukan dua bidang yang sebelumnya tidak terhubung: quasicrystals dan twisted Electronics. Yang terakhir adalah spesialisasi Pablo Jarillo Herrero, Profesor Fisika Cecil dan Ida Green di MIT dan penulis koresponden buku baru tersebut. alam Terobosan graphene pada “sudut ajaib” pada tahun 2018 melambungkan bidang ini.

“Sungguh luar biasa bahwa bidang elektronik kiral terus membuat hubungan tak terduga dengan bidang fisika dan kimia lainnya, dalam hal ini dunia kristal kuasperiodik yang indah dan aneh,” kata Jarillo-Herrero, yang juga berafiliasi dengan Materials Research MIT. Laboratorium dan MIT.”. Laboratorium Penelitian MIT untuk Elektronika.

Perkembangan penting dalam Twistronics

Teknologi Twistronics melibatkan lapisan tipis bahan yang ditumpuk satu sama lain. Memutar atau memutar satu atau lebih lapisan dengan sedikit miring akan menciptakan pola unik yang disebut jaring super moiré. Pola moiré, pada gilirannya, berdampak pada perilaku elektron. Sergio C berkata: “Ini mengubah spektrum tingkat energi yang tersedia bagi elektron dan dapat memberikan kondisi munculnya fenomena menarik,” kata de la Barrera, salah satu dari empat rekan penulis studi baru-baru ini. De la Barrera, yang melakukan pekerjaan ini sebagai postdoc di MIT, sekarang menjadi asisten profesor di Universitas Toronto.

Aviram Uri (kiri) dan Sergio C. De la Barrera adalah bagian dari tim yang mengekstraksi superkonduktivitas dari kelas material yang dikenal sebagai quasicrystals. Uri adalah seorang Pappalardo dan peneliti postdoctoral di bidang PPN di MIT; De la Barrera adalah asisten profesor di Universitas Toronto. Kredit: Eva Cheung/Universitas Toronto

Sistem moiré juga dapat dirancang untuk perilaku yang berbeda dengan memvariasikan jumlah elektron yang ditambahkan ke sistem. Hasilnya, bidang elektronik kiral telah mengalami perkembangan luar biasa selama lima tahun terakhir, dan para peneliti di seluruh dunia menerapkannya untuk menciptakan material kuantum baru yang atomnya tipis. Contoh dari MIT saja meliputi:

• Mengubah bahan moire yang dikenal sebagai bilayer bengkok sudut ajaib Grafena menjadi tiga perangkat elektronik yang berbeda dan berguna. (Di antara ilmuwan yang terlibat dalam penelitian ini, yang dilaporkan pada tahun 2021, adalah Daniel Rodin-Legren, salah satu penulis pertama penelitian ini dan peneliti pascadoktoral MIT di bidang fisika. Mereka dipimpin oleh Jarilo Herrero.)
• Merekayasa properti baru, fotovoltaik, menjadi keluarga terkenal Semikonduktor. (Para ilmuwan yang terlibat dalam pekerjaan ini, Dilaporkan pada tahun 2021dipimpin oleh Jarillo Herrero.)
• Memprediksi fenomena magnet baru dan aneh, lengkap dengan “resep” pencapaiannya. (Para ilmuwan yang terlibat dalam pekerjaan ini, Dilaporkan pada tahun 2023, termasuk profesor fisika MIT Liang Fu dan Nisarja Paul, seorang mahasiswa pascasarjana fisika MIT. Baik Fu dan Paul adalah rekan penulis makalah ini.)

Mengungkap quasicrystals

Dalam penelitian kali ini, para peneliti mengutak-atik sistem moiré yang terbuat dari tiga lembar graphene. Graphene terdiri dari satu lapisan atom karbon yang tersusun dalam bentuk heksagonal menyerupai struktur sarang lebah. Dalam kasus ini, tim melapisi tiga lapisan graphene di atas satu sama lain, namun memutar dua lembar pada sudut yang sedikit berbeda.

Yang mengejutkan mereka, sistem tersebut menciptakan sesuatu yang tampak seperti kristal, suatu kelas material yang tidak biasa yang ditemukan pada tahun 1980an. Seperti namanya, quasicrystals berada di antara kristal, seperti berlian, yang memiliki struktur berulang yang teratur, dan bahan amorf, seperti kaca, “di mana semua atomnya bercampur, atau tersusun secara acak,” kata de la Barrera. Singkatnya, de la Barrera mengatakan bahwa quasicrystals “memiliki pola yang sangat aneh” (lihat beberapa contoh Di Sini).

Namun, dibandingkan dengan kristal dan bahan amorf, relatif sedikit yang diketahui tentang kuasikristal. Hal ini disebabkan karena sulitnya pembuatannya. “Bukan berarti ini tidak menarik; itu berarti kita tidak terlalu memperhatikannya, terutama pada properti elektroniknya,” kata de la Barrera. Platform baru yang relatif sederhana ini bisa mengubah hal tersebut.

Lebih banyak wawasan dan kolaborasi

Karena peneliti awal bukanlah ahli dalam quasicrystals, mereka menghubungi satu orang: Profesor Ron Lifshitz dari Universitas Tel Aviv. Aviram Uri, salah satu penulis pertama makalah ini dan rekan pascadoktoral Pappalardo dan Vatat MIT, adalah seorang mahasiswa Lifshitz selama studi sarjananya di Tel Aviv dan menyadari karyanya tentang quasicrystals. Lifshitz, yang juga penulis alam Makalah ini membantu tim lebih memahami apa yang mereka lihat, apa yang mereka sebut quasicrystalline moiré.

Selanjutnya, fisikawan menyempurnakan moiré quasicrystal untuk menjadikannya superkonduktor, atau menghantarkan arus tanpa hambatan sama sekali di bawah suhu rendah tertentu. Hal ini penting karena perangkat superkonduktor dapat mentransmisikan arus melalui perangkat elektronik jauh lebih efisien daripada yang mungkin dilakukan saat ini, namun fenomena ini masih belum sepenuhnya dipahami di semua kasus. Sistem kuasikristalin bergelombang baru memberikan cara baru untuk mempelajarinya.

Tim juga menemukan bukti putusnya simetri, fenomena lain yang “memberi tahu kita bahwa elektron berinteraksi sangat kuat satu sama lain”. “Sebagai fisikawan kuantum dan ilmuwan material, kami ingin elektron berinteraksi satu sama lain karena di sanalah fisika eksotik terjadi,” kata de la Barrera.

Pada akhirnya, “melalui diskusi lintas benua, kami dapat menguraikan hal ini, dan sekarang kami pikir kami memiliki kendali yang baik atas apa yang terjadi,” kata Urey, meskipun ia menunjukkan bahwa “kami belum sepenuhnya memahami sistemnya. .” . Masih ada beberapa misteri.”

Bagian terbaik dari penelitian ini, kata de la Barrera, adalah “memecahkan teka-teki tentang apa yang sebenarnya kami buat.” “Kami sudah menduganya [something else]Jadi, merupakan kejutan yang sangat menyenangkan ketika kami menyadari bahwa kami sebenarnya sedang melihat sesuatu yang sangat baru dan berbeda.

“Jawabannya sama bagi saya,” kata Urey.

Referensi: “Superkonduktivitas dan interaksi kuat dalam quasicrystal moiré merdu” oleh Aviram Uri, Sergio C. de la Barrera, dan Malika T. Randrea, Daniel Rodin-Legren, Trip Devakul, Philip J.D. Crowley, Nisarja Paul, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ron Lifshitz, Liang Fu, Raymond C. Ashuri, Pablo Jarillo Herrero, 19 Juli 2023, alam.
doi: 10.1038/s41586-023-06294-z

Penulis tambahan untuk alam Makalah ini ditulis oleh profesor fisika MIT Raymond C. Ashouri; Malika T. Randrea, peneliti di MIT Lincoln Laboratory yang melakukan penelitian sebagai Pappalardo Fellow di MIT dan merupakan salah satu penulis pertama makalah ini; Trithip Devakul, asisten profesor di Universitas Stanford yang melakukan penelitian sebagai peneliti pascadoktoral di MIT; Philip J.D. Crowley, peneliti postdoctoral di Universitas Harvard; dan Kenji Watanabe dan Takashi Taniguchi dari National Institute of Materials Science di Jepang.

Pekerjaan ini didanai oleh Kantor Penelitian Angkatan Darat AS, Yayasan Sains Nasional AS, Yayasan Gordon dan Betty Moore, MIT Pappalardo Fellowship, VATAT Distinguished Postdoctoral Fellowship dalam Sains dan Teknologi Quantum, JSPS KAKENHI, dan Israel Science Foundation.