Física Torcida: Avanço da Supercondutividade Quasicristalina no MIT

Uma nova plataforma flexível poderia criar materiais misteriosos e levar a novos estudos de fenômenos estranhos.

Em pesquisas que podem despertar o interesse em uma classe misteriosa de materiais conhecidos como quasicristais, Instituto de Tecnologia de Massachusetts Cientistas e colegas descobriram uma maneira relativamente simples e flexível de criar novas versões atomicamente finas que podem ser ajustadas para se adequarem a fenômenos de interesse. No trabalho relatado na última edição da revista naturezaeles descrevem fazer exatamente isso para fazer o material exibir supercondutividade e muito mais.

A pesquisa fornece uma nova plataforma não apenas para aprender mais sobre quasicristais, mas também para explorar fenômenos exóticos que podem ser difíceis de estudar, mas podem levar a aplicações importantes e a uma nova física. Por exemplo, uma melhor compreensão da supercondutividade, onde os elétrons passam através de um material sem resistência, poderia permitir dispositivos eletrônicos mais eficientes.

Imagem de um quasicristal moiré (coluna do meio) criado por três folhas sobrepostas de grafeno atomicamente fino. Crédito: Sérgio C. De la Barrera/Universidade de Toronto

Twistrônica e sua associação com quasicristais

Este trabalho reúne dois campos antes não conectados: quasicristais e eletrônica torcida. Este último é a especialidade de Pablo Jarillo Herrero, Cecil e Ida Green Professor de Física do MIT e autor correspondente do novo livro natureza A descoberta do grafeno num “ângulo mágico” em 2018 catapultou o campo.

“É realmente extraordinário que o campo da eletrônica quiral continue a fazer conexões inesperadas com outras áreas da física e da química, neste caso, o belo e estranho mundo dos cristais quasperiódicos”, diz Jarillo-Herrero, que também é afiliado ao Departamento de Pesquisa de Materiais do MIT. Laboratório e MIT. “. Laboratório de Pesquisa em Eletrônica do MIT.

Desenvolvimentos notáveis ​​em Twistronics

A tecnologia Twistronics envolve finas camadas de materiais sobrepostas umas sobre as outras. Girar ou torcer uma ou mais camadas em um leve ângulo cria um padrão exclusivo chamado malha super moiré. O padrão moiré, por sua vez, afeta o comportamento dos elétrons. Sérgio C disse: “Isso altera o espectro de níveis de energia disponíveis para os elétrons e pode fornecer as condições para o surgimento de fenômenos interessantes”, disse de la Barrera, um dos quatro coautores do estudo recente. De la Barrera, que conduziu este trabalho como pós-doutorado no MIT, é agora professor assistente na Universidade de Toronto.

Aviram Uri (à esquerda) e Sergio C. Os de la Barrera fazem parte de uma equipe que extraiu a supercondutividade de uma classe obscura de materiais conhecidos como quasicristais. Uri é Pappalardo e pesquisador de pós-doutorado em VAT no MIT; De la Barrera é professor assistente na Universidade de Toronto. Crédito: Eva Cheung/Universidade de Toronto

Um sistema moiré também pode ser projetado para diferentes comportamentos, variando o número de elétrons adicionados ao sistema. Como resultado, o campo da electrónica quiral testemunhou um enorme desenvolvimento nos últimos cinco anos, com investigadores de todo o mundo a aplicá-lo para criar novos materiais quânticos atomicamente finos. Exemplos apenas do MIT incluem:

• Convertendo um material moiré conhecido como bicamada torcida de ângulo mágico Grafeno em três dispositivos eletrônicos diferentes e úteis. (Entre os cientistas envolvidos neste trabalho, relatado em 2021, estava Daniel Rodin-Legren, co-primeiro autor do trabalho atual e pesquisador de pós-doutorado em física do MIT. Eles foram liderados por Jarilo Herrero.)
• Engenharia de uma nova propriedade, a energia fotovoltaica, em uma família bem conhecida de Semicondutores. (Os cientistas envolvidos neste trabalho, Relatado em 2021liderado por Jarillo Herrero.)
• Prever fenômenos magnéticos novos e estranhos, completo com a “receita” para alcançá-los. (Os cientistas envolvidos neste trabalho, Relatado em 2023, incluiu o professor de física do MIT, Liang Fu, e Nisarja Paul, um estudante de pós-graduação em física do MIT. Tanto Fu quanto Paul são coautores do artigo atual.)

Revelando quasicristais

No trabalho atual, os pesquisadores estavam mexendo em um sistema moiré feito de três folhas de grafeno. O grafeno consiste em uma única camada de átomos de carbono dispostos em formas hexagonais que lembram uma estrutura em favo de mel. Neste caso, a equipe colocou três camadas de grafeno uma sobre a outra, mas torceu duas das folhas em ângulos ligeiramente diferentes.

Para sua surpresa, o sistema criou o que parecia ser um cristal, uma classe incomum de material descoberta na década de 1980. Como o nome sugere, os quasicristais ficam em algum lugar entre um cristal, como o diamante, que tem uma estrutura repetitiva regular, e um material amorfo, como o vidro, “onde os átomos estão todos misturados ou dispostos aleatoriamente”, diz de la. Barreira. Em suma, de la Barrera diz que os quasicristais “têm padrões realmente estranhos” (ver alguns exemplos aqui).

No entanto, em comparação com cristais e materiais amorfos, relativamente pouco se sabe sobre quasicristais. Em parte, isso ocorre porque eles são difíceis de fazer. “Isso não significa que não seja interessante; significa que não prestamos muita atenção a ele, especialmente às suas propriedades eletrônicas”, diz de la Barrera. A nova plataforma relativamente simples pode mudar isso.

Mais insights e colaboração

Como os investigadores originais não eram especialistas em quasicristais, contactaram uma pessoa: o professor Ron Lifshitz, da Universidade de Tel Aviv. Aviram Uri, um dos co-autores do artigo e bolsista de pós-doutorado Pappalardo e Vatat MIT, foi aluno de Lifshitz durante seus estudos de graduação em Tel Aviv e estava ciente de seu trabalho em quasicristais. Lifshitz, que também é autor de natureza O artigo ajudou a equipe a entender melhor o que estavam vendo, o que chamam de moiré quasicristalino.

Em seguida, os físicos ajustaram o quasicristal moiré para torná-lo supercondutor, ou conduzir corrente sem qualquer resistência abaixo de uma certa temperatura baixa. Isto é importante porque os dispositivos supercondutores podem transmitir corrente através de dispositivos eletrônicos com muito mais eficiência do que é possível hoje, mas esse fenômeno ainda não é totalmente compreendido em todos os casos. O novo sistema quasicristalino corrugado oferece uma nova maneira de estudá-lo.

A equipe também encontrou evidências de quebra de simetria, outro fenômeno que “nos diz que os elétrons estão interagindo uns com os outros de forma muito forte”. “Como físicos quânticos e cientistas de materiais, queremos que nossos elétrons interajam uns com os outros porque é aí que acontece a física exótica”, diz de la Barrera.

No final, “através de discussões intercontinentais, conseguimos decifrar esta coisa, e agora pensamos que temos um bom controlo sobre o que está a acontecer”, diz Urey, embora note que “ainda não compreendemos completamente o sistema”. .” . Ainda existem alguns mistérios.”

A melhor parte da pesquisa, diz de la Barrera, foi “resolver o quebra-cabeça do que realmente fizemos”. “Estávamos esperando [something else]Então foi uma surpresa muito agradável quando percebemos que estávamos realmente diante de algo muito novo e diferente.

“É a mesma resposta para mim”, diz Urey.

Referência: “Supercondutividade e interações fortes em um quasicristal moiré sintonizável” por Aviram Uri, Sergio C. de la Barrera e 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 de julho de 2023, natureza.
doi: 10.1038/s41586-023-06294-z

Autores adicionais para natureza O artigo é do professor de física do MIT, Raymond C. Ashouri; Malika T. Randrea, pesquisadora do Laboratório Lincoln do MIT que conduziu o trabalho como Pappalardo Fellow no MIT e é coautora deste artigo; Trithip Devakul, professor assistente da Universidade de Stanford que conduziu o trabalho como pesquisador de pós-doutorado no MIT; Philip J.D. Crowley, pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Harvard; e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi, do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão.

Este trabalho foi financiado pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA, pela Fundação Gordon e Betty Moore, por uma bolsa Pappalardo do MIT, por uma bolsa de pós-doutorado distinta do VATAT em Ciência e Tecnologia Quântica, JSPS KAKENHI e pela Israel Science Foundation.