ความสามารถในการปิดและเปิดสภาพตัวนำยิ่งยวดด้วยการพลิกสวิตช์ที่เรียกว่า “กราฟีนบิดมุมมหัศจรรย์” ช่วยให้วิศวกรของ Caltech สังเกตปรากฏการณ์ที่ผิดปกติซึ่งอาจทำให้เกิดความกระจ่างใหม่เกี่ยวกับความเป็นตัวนำยิ่งยวดโดยทั่วไป
งานวิจัยนี้นำโดย Stevan Nadj-Perge ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ประยุกต์และวัสดุศาสตร์ ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature เมื่อวันที่ 15 มิถุนายน
กราฟีนบิดมุมมหัศจรรย์ซึ่งค้นพบครั้งแรกในปี 2018 ทำจากกราฟีนสองหรือสามแผ่น แม่นยำ 1.05 องศาเทียบกับด้านล่าง bilayer หรือ trilayer ที่ได้นั้นมีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ผิดปกติ ตัวอย่างเช่น สามารถทำเป็นฉนวนหรือตัวนำยิ่งยวดขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอนที่เติมเข้าไป
ตัวนำยิ่งยวดคือวัสดุที่แสดงสถานะทางอิเล็กทรอนิกส์ที่แปลกประหลาดซึ่งอิเล็กตรอนสามารถไหลได้อย่างอิสระผ่านวัสดุโดยไม่มีความต้านทาน ซึ่งหมายความว่ากระแสไฟฟ้าไหลผ่านโดยไม่สูญเสียพลังงานความร้อน การส่งไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงดังกล่าวมีศักยภาพในการใช้งานอย่างไม่รู้จบในด้านคอมพิวเตอร์ อิเล็กทรอนิกส์ และที่อื่นๆ
อย่างไรก็ตาม สิ่งที่จับได้ด้วยตัวนำยิ่งยวดก็คือในวัสดุส่วนใหญ่ จะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำมาก โดยปกติแล้วจะสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์เพียงไม่กี่องศา (−273.15 องศาเซลเซียส) ที่อุณหภูมิดังกล่าว อิเล็กตรอนจะสร้างคู่ที่มีพฤติกรรมแตกต่างกันโดยพื้นฐานเมื่อเทียบกับอิเล็กตรอนแต่ละตัวและควบแน่นเป็นสถานะทางกลของควอนตัมที่ช่วยให้คู่อิเล็กตรอนไหลได้โดยไม่กระจัดกระจาย
ตัวนำยิ่งยวดถูกค้นพบครั้งแรกเมื่อกว่าศตวรรษที่ผ่านมา แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่เข้าใจกลไกที่แม่นยำเบื้องหลังการก่อตัวของคู่อิเล็กตรอนของวัสดุบางชนิด ในตัวนำยิ่งยวดทั่วไป เช่น โลหะอะลูมิเนียม เป็นที่เข้าใจกันดีว่าแรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนที่นำไปสู่การก่อตัวของคู่อิเล็กตรอนนั้นเกิดจากการมีปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนกับโครงผลึกของวัสดุ พฤติกรรมของวัสดุเหล่านี้อธิบายโดยใช้ทฤษฎี Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) ซึ่งตั้งชื่อตาม John Bardeen, Leon Cooper และ John Robert Schrieffer ผู้ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1972 สำหรับการพัฒนาทฤษฎี
ขณะศึกษากราฟีนที่มีมุมบิดเบี้ยวสามชั้นของเวทมนตร์ Nadj-Perge และเพื่อนร่วมงานของเขาค้นพบว่าตัวนำยิ่งยวดในวัสดุนี้แสดงคุณสมบัติที่ผิดปกติอย่างมากหลายอย่างที่ไม่สามารถอธิบายได้โดยใช้ทฤษฎี BSC ทำให้มีแนวโน้มว่าจะเป็นตัวนำยิ่งยวดแหกคอก
พวกเขาวัดวิวัฒนาการของช่องว่างตัวนำยิ่งยวดที่เรียกว่าขณะที่อิเล็กตรอนจะถูกลบออกจากไตรเลเยอร์ด้วยการพลิกสวิตช์เพื่อเปิดหรือปิดสนามไฟฟ้า ช่องว่างของตัวนำยิ่งยวดเป็นคุณสมบัติที่อธิบายว่าการเพิ่มหรือเอาอิเล็กตรอนแต่ละตัวออกจากตัวนำยิ่งยวดยากเพียงใด เนื่องจากอิเล็กตรอนในตัวนำยิ่งยวดต้องการจับคู่ พลังงานจำนวนหนึ่งจึงจำเป็นต้องทำลายคู่เหล่านั้น อย่างไรก็ตาม ปริมาณพลังงานอาจแตกต่างกันไปสำหรับคู่ที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ต่างกันเมื่อเทียบกับโครงผลึก เป็นผลให้ “ช่องว่าง” มีรูปร่างเฉพาะที่กำหนดโดยโอกาสที่คู่จะถูกทำลายด้วยพลังงานจำนวนหนึ่ง
“ในขณะที่ตัวนำยิ่งยวดมีมาเป็นเวลานาน คุณลักษณะใหม่ที่โดดเด่นใน bilayers ของ graphene bilayers และ trilayers แบบบิดคือ ตัวนำยิ่งยวดในวัสดุเหล่านี้สามารถเปิดใช้งานได้ง่ายๆ โดยใช้แรงดันไฟฟ้าบนอิเล็กโทรดที่อยู่ใกล้เคียง” Nadj-Perge กล่าว ผู้เขียน กระดาษธรรมชาติ “สนามไฟฟ้าเพิ่มหรือกำจัดอิเล็กตรอนส่วนเกินอย่างมีประสิทธิภาพ มันทำงานในลักษณะที่คล้ายคลึงกันมากเนื่องจากกระแสถูกควบคุมในทรานซิสเตอร์ทั่วไป และทำให้เราสามารถสำรวจความเป็นตัวนำยิ่งยวดในแบบที่ไม่สามารถทำได้ในวัสดุอื่น ๆ ”
ทีมงานได้กำหนดไว้ว่าใน trilayers แบบบิด จะมีระบบการนำไฟฟ้ายิ่งยวดสองแบบที่มีโปรไฟล์ช่องว่างของตัวนำยิ่งยวดที่มีรูปร่างแตกต่างกัน แม้ว่าระบอบการปกครองใดระบอบหนึ่งอาจอธิบายได้ด้วยทฤษฎีที่มีขอบเขตคล้ายกับ BCS แต่การมีอยู่ของระบอบการปกครองสองระบบแสดงให้เห็นว่าภายในระยะตัวนำยิ่งยวดมีแนวโน้มที่จะเกิดการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติม การสังเกตนี้ ควบคู่ไปกับการวัดที่อุณหภูมิและสนามแม่เหล็กต่างๆ ชี้ให้เห็นลักษณะพิเศษของตัวนำยิ่งยวดในชั้นไตรเลเยอร์
ข้อมูลเชิงลึกใหม่โดยทีมของ Nadj-Perge ให้เบาะแสที่สำคัญสำหรับทฤษฎีในอนาคตของตัวนำยิ่งยวดในกราฟีนหลายชั้นบิดเบี้ยว Nadj-Perge ตั้งข้อสังเกตว่าดูเหมือนว่าเลเยอร์จำนวนมากขึ้นทำให้ตัวนำยิ่งยวดแข็งแกร่งขึ้นในขณะที่ยังคงปรับแต่งได้สูง ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เปิดโอกาสให้ใช้ trilayers แบบบิดเกลียวสำหรับอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวดที่อาจใช้ในวิทยาศาสตร์ควอนตัมและการประมวลผลข้อมูลควอนตัม
“นอกเหนือจากความหมายพื้นฐานที่มีต่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับความเป็นตัวนำยิ่งยวดแล้ว การเพิ่มชั้นกราฟีนพิเศษทำให้การศึกษาคุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวดทำได้ง่ายขึ้น ในที่สุด นี่คือสิ่งที่ทำให้เกิดการค้นพบของเรา” Nadj-Perge กล่าว
บทความนี้มีชื่อว่า ” หลักฐานของตัวนำยิ่งยวดแหกคอกในกราฟีนสามชั้นบิดเบี้ยว ” ผู้เขียนร่วม ได้แก่ Jason Alicea, William K. Davis ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์เชิงทฤษฎี; นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ Caltech Hyunjin Kim และ Youngjoon Choi ผู้เขียนชั้นนำในหนังสือพิมพ์ นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Robert Polski และ Yiran Zhang; Cyprian Lewandowski, Moore Postdoctoral Scholar ในสาขาฟิสิกส์เชิงทฤษฎี; และ Alex Thomson, Sherman Fairchild Postdoctoral Scholar ในสาขาฟิสิกส์เชิงทฤษฎี ซึ่งปัจจุบันเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่ UC Davis; และ Kenji Watanabe และ Takashi Taniguchi จากสถาบันวัสดุศาสตร์แห่งชาติในญี่ปุ่น
งานวิจัยนี้ได้รับทุนจาก National Science Foundation, Office of Naval Research, the United States Department of Energy, the Kavli Nanoscience Institute, the Institute for Quantum Information and Matter at Caltech, the Walter Burke Institute for Theoretical Physics at Caltech และ มูลนิธิการศึกษากวานจอง.
