In einem Meer magischer Winkel sorgen „Twistons“ dafür, dass Elektronen durch drei Graphenschichten fließen

Die Entdeckung der Supraleitung in zwei ganz leicht verdrillten Graphenschichten schlug vor einigen Jahren in der Gemeinschaft der Quantenmaterialien Wellen. Mit nur zwei atomdünnen Kohlenstoffschichten hatten Forscher ein einfaches Gerät entdeckt, um neben anderen Phänomenen, die mit der Bewegung von Elektronen durch ein Material zusammenhängen, den widerstandsfreien Stromfluss zu untersuchen.

Aber der Verdrehungswinkel zwischen den beiden Schichten muss genau richtig sein – bei dem sogenannten „magischen“ Winkel von 1,1 Grad – damit die Phänomene beobachtet werden können. Das liegt daran, dass Atome in den Schichten der Verdrehung widerstehen und sich wieder auf einen Nullwinkel „entspannen“ wollen, erklärt Joshua Swann, ein Ph.D. Student im Dean Lab an der Columbia. Wenn magische Winkel verschwinden, verschwindet auch die Supraleitung.

Das Hinzufügen einer dritten Graphenschicht verbessert die Wahrscheinlichkeit, Supraleitung zu finden, aber der Grund war unklar. Einschreiben Wissenschaftenthüllen Forscher von Columbia neue Details über die physikalische Struktur von dreischichtigem Graphen, die helfen zu erklären, warum drei Schichten besser als zwei sind, um die Supraleitung zu untersuchen.

Unter Verwendung eines Mikroskops, das bis auf die Ebene einzelner Atome abbilden kann, sah das Team, dass sich Atomgruppen in einigen Bereichen zu dem zusammenballten, was Simon Turkel, ein Ph.D. Student im Pasupathy Lab, genannt „Twistons“. Diese Twistons erschienen in geordneter Weise, was es dem Gerät als Ganzes ermöglichte, die magischen Winkel, die für das Auftreten von Supraleitung erforderlich sind, besser aufrechtzuerhalten.

Es ist ein ermutigendes Ergebnis, sagte Swann, der das Gerät für die Studie gebaut hat. „Ich habe 20 oder 30 Doppelschicht-Graphen-Geräte hergestellt und vielleicht zwei oder drei gesehen, die supraleitend waren“, sagte er. „Mit drei Schichten können Sie Eigenschaften untersuchen, die in Doppelschichtsystemen schwer zu untersuchen sind.“

Diese Eigenschaften überschneiden sich mit einer Klasse komplexer Materialien, den Cupraten, die bei einer relativ hohen Temperatur von -220 °F supraleitend sind. Ein besseres Verständnis der Ursprünge der Supraleitung könnte Forschern helfen, Drähte zu entwickeln, die keine Energie verlieren, wenn sie Strom leiten, oder Geräte, die nicht auf kostspieligen niedrigen Temperaturen gehalten werden müssen.

In Zukunft hoffen die Forscher, das, was sie in ihren Scans sehen, mit Messungen von Quantenphänomenen in dreischichtigen Geräten zu verknüpfen. „Wenn wir diese Twistons kontrollieren können, die alle von der Winkelfehlanpassung zwischen der oberen und der unteren Schicht des Geräts abhängen, können wir ihre Auswirkungen auf die Supraleitung systematisch untersuchen“, sagte Turkel. „Das ist eine spannende offene Frage.“