Wissenschaftler der University of Chicago und der Shanxi University gaben bekannt, dass sie einen Weg gefunden haben, Laser zu verwenden, um ein Material zu „simulieren“, über das Physiker seit Jahren wegen seiner potenziellen technologischen Anwendungen sabbern.
Die neue Methode kann verwendet werden, um besser zu verstehen, wie das Material – bekannt als verdrilltes Doppelschichtgitter – funktioniert, und könnte vielleicht den Weg zu einer neuen Elektronik oder Quantentechnologie weisen. Die Arbeit wurde veröffentlicht in Natur.
Eine Wendung zur Tradition
Vor vier Jahren entdeckten Wissenschaftler am MIT eine überraschende Wendung: Dünne Blätter aus gewöhnlichen Kohlenstoffatomen können zu Supraleitern werden, wenn man die Blätter beim Stapeln verdreht.
Supraleiter sind ein seltenes Material, das Strom perfekt und verlustfrei leiten kann. Wissenschaftler und Ingenieure können sich alle möglichen Verwendungen für Supraleiter ausdenken – sie sind bereits die Grundlage von MRIs – aber sie haben erhebliche Einschränkungen, einschließlich der Notwendigkeit, unter Null heruntergekühlt zu werden, um zu funktionieren. Wissenschaftler hoffen, dass sie, wenn sie die zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien vollständig verstehen, neue Supraleiter entwickeln könnten, die alle möglichen technologischen Möglichkeiten erschließen.
„Wann immer jemand eine neue Klasse von Supraleitern entdeckt, richtet sich die Physikwelt auf und wird aufmerksam“, sagte Cheng Chin, Professor für Physik an der Universität von Chicago und Mitautor der neuen Studie. „Aber dieses war besonders aufregend, weil es auf einem so einfachen und gewöhnlichen Material wie Graphen basierte.“
Graphen ist so einfach wie ein Material nur sein kann: Es ist ein dünnes Gitter aus Kohlenstoffatomen. Wissenschaftler machten sich auf den Weg, um mögliche Anwendungen zu erforschen, und entfachten eine Flut von Forschungen auf einem neuen Gebiet mit dem Namen Twisted Electronics oder „Twistronics“.
Aber obwohl Graphen in gewisser Weise einfach ist, stellte es sich als etwas schwierig heraus, zu untersuchen, wie es supraleitend werden kann, wenn es in diesen verdrehten Schichten gestapelt wird. Beispielsweise wollen Wissenschaftler die Blätter in winzigen Schritten drehen und jedes Mal sehen, was mit den Eigenschaften passiert; Graphenblätter neigen jedoch dazu, aneinander zu haften und zu reißen, wenn sie bewegt werden.
Chins Labor und die Shanxi-Gruppe hatten zuvor Möglichkeiten entwickelt, komplizierte Quantenmaterialien mit gekühlten Atomen und Lasern zu replizieren, um das Studium zu erleichtern – also dachten sie, sie könnten dasselbe für das verdrillte Doppelschichtsystem tun.
In Zusammenarbeit mit Forschern der Shanxi-Universität entwickelte das Team eine innovative Methode zur „Simulation“ dieser verdrehten Gitter.
Sie nahmen Atome eines Elements namens Rubidium, kühlten sie ab und organisierten sie mithilfe von Lasern in zwei Gittern, eines über dem anderen. Dann wandten die Wissenschaftler Mikrowellen an, um die Wechselwirkung zwischen den beiden Gittern zu unterstützen.
Diese Kombination hat es geschafft. Das Material zeigt „Suprafluidität“ – eine der Supraleitung ähnliche Eigenschaft, bei der Partikel hindurchströmen können, ohne durch Reibung abgebremst zu werden. Mithilfe des Systems beobachteten die Forscher dank der Möglichkeit, den Verdrehungswinkel der beiden Gitter einzustellen, eine neue Form von Supraflüssigkeit in den Atomen.
Durch Veränderung der Stärke der Mikrowelle stellten die Wissenschaftler fest, dass sie kontrollieren konnten, wie stark die beiden Gitter interagierten. Inzwischen konnten sie die beiden Gitter leicht mit den Lasern drehen.
„Das macht es zu einem sehr flexiblen System“, sagte Chin. „Einige Leute wollten zum Beispiel ausprobieren, wie sie von zwei Ebenen auf drei oder sogar vier Ebenen wechseln können. Das wäre mit unserem Setup einfach zu bewerkstelligen.“
Durch die Verwendung des neuen Aufbaus zur Erforschung dieser verdrillten Doppelschichtgitter hoffen die Wissenschaftler, Durchbrüche für neue Materialien für die Elektronik oder Wege zur Kontrolle von Informationen in der Quantentechnologie zu ermöglichen.
Mehr Informationen:
Zengming Meng et al., Atomares Bose-Einstein-Kondensat in optischen Gittern mit verdrillten Doppelschichten, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05695-4