Το συνεστραμμένο γραφένιο θα μπορούσε να τροφοδοτήσει μια νέα γενιά υπεραγώγιμων ηλεκτρονικών

Το 2018, μια ομάδα ερευνητών στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) έκανε ένα εκθαμβωτικό μαγικό κόλπο για την επιστήμη των υλικών. Στοίβαξαν δύο μικροσκοπικές κάρτες γραφενίου—φύλλα άνθρακα πάχους ενός ατόμου—και έστριψαν τη μία τόσο ελαφρά. Η εφαρμογή ενός ηλεκτρικού πεδίου μετέτρεψε τη στοίβα από αγωγό σε μονωτή και στη συνέχεια, ξαφνικά, σε υπεραγωγό:ένα υλικό που άγει τον ηλεκτρισμό χωρίς τριβές. Δεκάδες εργαστήρια πήδηξαν στο νεογέννητο πεδίο του "twistronics", ελπίζοντας να δημιουργήσουν νέες ηλεκτρονικές συσκευές χωρίς την ταλαιπωρία της σύντηξης χημικά διαφορετικών υλικών.

Δύο ομάδες - συμπεριλαμβανομένης της πρωτοποριακής ομάδας MIT - εκπληρώνουν τώρα αυτήν την υπόσχεση μετατρέποντας το συνεστραμμένο γραφένιο σε λειτουργικές συσκευές, συμπεριλαμβανομένων υπεραγώγιμων διακοπτών όπως αυτοί που χρησιμοποιούνται σε πολλούς κβαντικούς υπολογιστές. Οι μελέτες σηματοδοτούν ένα κρίσιμο βήμα για το υλικό, το οποίο ήδη ωριμάζει σε ένα βασικό επιστημονικό εργαλείο ικανό να συλλαμβάνει και να ελέγχει μεμονωμένα ηλεκτρόνια και φωτόνια. Τώρα, δείχνει πολλά υποσχόμενη ως βάση για νέες ηλεκτρονικές συσκευές, λέει ο Cory Dean, ένας φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο Columbia του οποίου το εργαστήριο ήταν ένα από τα πρώτα που επιβεβαίωσαν τις υπεραγώγιμες ιδιότητες του υλικού μετά την ανακοίνωση του 2018. «Η ιδέα ότι αυτή η πλατφόρμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καθολικό υλικό δεν είναι φαντασία», λέει. "Είναι γεγονός."

Το μυστικό πίσω από τη φύση που μοιάζει με χαμαιλέοντα του στριφτού γραφενίου βρίσκεται στη λεγόμενη «μαγική γωνία». Όταν οι ερευνητές περιστρέφουν τα φύλλα με ακρίβεια 1,1°, η συστροφή δημιουργεί ένα μοτίβο "moiré" μεγάλης κλίμακας - το ισοδύναμο σε κλίμακα ατόμων των πιο σκούρων ζωνών που φαίνονται όταν δύο πλέγματα αντιπαρατίθενται. Φέρνοντας χιλιάδες άτομα μαζί, το μουαρέ τους επιτρέπει να δρουν από κοινού, όπως τα υπεράτομα. Αυτή η συλλογική συμπεριφορά επιτρέπει σε έναν μέτριο αριθμό ηλεκτρονίων, που φυλάσσονται στη σωστή θέση από ένα ηλεκτρικό πεδίο, να αλλάξουν ριζικά τη συμπεριφορά του υλικού, από μονωτή σε αγωγό σε υπεραγωγό. Οι αλληλεπιδράσεις με τα υπερκύτταρα αναγκάζουν επίσης τα ηλεκτρόνια να επιβραδύνουν και να αισθάνονται το ένα την παρουσία του άλλου, γεγονός που διευκολύνει το ζευγάρωμα τους, μια απαίτηση για υπεραγωγιμότητα.

Τώρα, οι ερευνητές έχουν δείξει ότι μπορούν να καλέσουν τις επιθυμητές ιδιότητες σε μικρές περιοχές του φύλλου χτυπώντας ένα μοτίβο μεταλλικών «πυλών» που εκθέτουν διαφορετικές περιοχές σε διαφορετικά ηλεκτρικά πεδία. Και οι δύο ομάδες κατασκεύασαν συσκευές γνωστές ως συνδέσεις Josephson, στις οποίες δύο υπεραγωγοί πλαισιώνουν ένα λεπτό στρώμα μη υπεραγώγιμου υλικού, δημιουργώντας μια βαλβίδα για τον έλεγχο της ροής της υπεραγωγιμότητας. «Μόλις δείξετε ότι τότε ο κόσμος είναι ανοιχτός», λέει ο Klaus Ensslin, φυσικός στο ETH της Ζυρίχης και συν-συγγραφέας σε μία από τις μελέτες, που δημοσιεύτηκαν στον διακομιστή προεκτύπωσης arXiv στις 30 Οκτωβρίου. Οι συμβατικές διασταυρώσεις Josephson χρησιμεύουν ως η κινητήρια δύναμη των υπεραγώγιμων ηλεκτρονικών, που βρίσκονται σε μαγνητικές συσκευές για την παρακολούθηση της ηλεκτρικής δραστηριότητας στον εγκέφαλο και σε υπερευαίσθητα μαγνητόμετρα.

Η ομάδα του MIT προχώρησε παραπέρα, μετατρέποντας ηλεκτρικά τις διασταυρώσεις Josephson σε άλλα υπομικροσκοπικά gadget, "ακριβώς ως απόδειξη της ιδέας, για να δείξει πόσο ευέλικτο είναι αυτό", λέει ο επικεφαλής του εργαστηρίου Pablo Jarillo-Herrero, του οποίου η ομάδα δημοσίευσε τα αποτελέσματά του στο arXiv στις 4 Νοεμβρίου. Συντονίζοντας τον άνθρακα σε διάταξη αγωγού-μονωτή-υπεραγωγού, μπόρεσαν να μετρήσουν πόσο σφιχτά ήταν συνδεδεμένα μεταξύ τους τα ζεύγη ηλεκτρονίων - μια πρώιμη ένδειξη για τη φύση της υπεραγωγιμότητας του και πώς συγκρίνεται με άλλα υλικά. Η ομάδα κατασκεύασε επίσης ένα τρανζίστορ που μπορεί να ελέγχει την κίνηση μεμονωμένων ηλεκτρονίων. Οι ερευνητές έχουν μελετήσει τέτοιους διακόπτες ενός ηλεκτρονίου ως τρόπο συρρίκνωσης των κυκλωμάτων και μείωσης της δίψας τους για ενέργεια.

Οι συσκευές μαγικής γωνίας γραφενίου είναι απίθανο να αμφισβητήσουν τα καταναλωτικά ηλεκτρονικά πυριτίου σύντομα. Το ίδιο το γραφένιο είναι εύκολο να κατασκευαστεί:Τα φύλλα του μπορούν να αφαιρεθούν από μπλοκ γραφίτη με τίποτα περισσότερο από ταινία Scotch. Αλλά οι συσκευές πρέπει να ψύχονται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν προτού μπορέσουν να υπεραγώγουν. Και η διατήρηση της ακριβούς περιστροφής είναι δύσκολη, καθώς τα φύλλα τείνουν να ζαρώνουν, διαταράσσοντας τη μαγική γωνία. Η αξιόπιστη δημιουργία ομαλά στριμμένων φύλλων, ακόμη και πλάτους μόλις 1 μικρού ή δύο, εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση και οι ερευνητές δεν βλέπουν ακόμη μια σαφή πορεία προς τη μαζική παραγωγή. "Αν θέλατε να φτιάξετε μια πραγματικά πολύπλοκη συσκευή", λέει ο Jarillo-Herrero, "θα έπρεπε να δημιουργήσετε εκατοντάδες χιλιάδες [υποστρώματα γραφενίου] και αυτή η τεχνολογία δεν υπάρχει."

Ωστόσο, πολλοί ερευνητές είναι ενθουσιασμένοι με την υπόσχεση να εξερευνήσουν ηλεκτρονικές συσκευές χωρίς να ανησυχούν για τους περιορισμούς της χημείας. Οι επιστήμονες υλικών συνήθως πρέπει να βρουν ουσίες με τις σωστές ατομικές ιδιότητες και να τις συντήξουν μεταξύ τους. Και όταν τελειώσει το παρασκεύασμα, τα διάφορα στοιχεία ενδέχεται να μην πλέξουν με τον επιθυμητό τρόπο.

Στο γραφένιο μαγικής γωνίας, αντίθετα, όλα τα άτομα είναι άνθρακας, εξαλείφοντας τα ακατάστατα όρια μεταξύ διαφορετικών υλικών. Και οι επιστήμονες μπορούν να αλλάξουν την ηλεκτρονική συμπεριφορά οποιουδήποτε συγκεκριμένου κώδικα με το πάτημα ενός κουμπιού. Αυτά τα πλεονεκτήματα παρέχουν άνευ προηγουμένου έλεγχο στο υλικό, λέει ο Ensslin. "Τώρα, μπορείτε να παίξετε σαν στο πιάνο."

Αυτός ο έλεγχος θα μπορούσε να απλοποιήσει τους κβαντικούς υπολογιστές. Αυτά που αναπτύσσονται από την Google και την IBM βασίζονται σε συνδέσμους Josephson με ιδιότητες που επιδιορθώνονται κατά την κατασκευή. Για να λειτουργήσουν τα περίπλοκα qubits, οι συνδέσεις πρέπει να χειρίζονται από κοινού με δυσκίνητους τρόπους. Με το συνεστραμμένο γραφένιο, ωστόσο, τα qubits θα μπορούσαν να προέρχονται από μεμονωμένες διασταυρώσεις που είναι μικρότερες και πιο εύκολο να ελεγχθούν.

Ο Kin Chung Fong, φυσικός του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ και μέλος της ομάδας κβαντικών υπολογιστών της Raytheon BBN Technologies, είναι ενθουσιασμένος με μια άλλη πιθανή χρήση του υλικού. Τον Απρίλιο, αυτός και οι συνάδελφοί του πρότειναν μια συσκευή συνεστραμμένου γραφενίου που θα μπορούσε να ανιχνεύσει ένα μόνο φωτόνιο μακριού υπέρυθρου φωτός. Αυτό θα μπορούσε να είναι χρήσιμο για τους αστρονόμους που διερευνούν το αχνό φως του πρώιμου σύμπαντος. Οι τρέχοντες αισθητήρες τους μπορούν να εντοπίσουν μεμονωμένα φωτόνια μόνο στα ορατά ή σχεδόν ορατά μέρη του φάσματος.

Ο τομέας του twistronics παραμένει στα σπάργανά του και η φασαριόζικη διαδικασία της συστροφής μικροσκοπικών κηλίδων γραφενίου στη μαγική θέση απαιτεί ακόμη επιπόλαια ή τουλάχιστον επιδέξια εργαστηριακή εργασία. Αλλά ανεξάρτητα από το αν το συνεστραμμένο γραφένιο βρίσκει το δρόμο του στα βιομηχανικά ηλεκτρονικά, αλλάζει ήδη βαθιά τον κόσμο της επιστήμης των υλικών, λέει η Eva Andrei, φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο Rutgers, New Brunswick, του οποίου το εργαστήριο ήταν ένα από τα πρώτα που παρατήρησαν το περίεργο στριφτό γραφένιο. ιδιότητες.

«Είναι μια πραγματικά νέα εποχή», λέει. "Είναι ένας εντελώς νέος τρόπος κατασκευής υλικών χωρίς χημεία."