MIT-onderzoek bevestigt onconventionele supergeleiding in drielaags grafeen

Natuurkundigen van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben onweerlegbaar bewijs vastgesteld voor onconventionele supergeleiding in de structuur van magisch-hoek gedraaid drielaags grafeen, of MATTG. De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Science, vormen een belangrijke stap in het begrip van exotische kwantummaterialen. De kern van de observatie is een uitgesproken V-vormige supergeleidende kloof, een kenmerk dat significant afwijkt van de uniforme, vlakke kloof die kenmerkend is voor conventionele supergeleiders.

Deze afwijking wijst erop dat het mechanisme achter de nul-weerstandsstroom in MATTG niet wordt veroorzaakt door de gebruikelijke rooster-trillingen, maar door intense elektron-elektroninteracties binnen de unieke, op elkaar gestapelde grafeenlagen. De onderzoekers zetten een nieuw experimenteel platform in dat de directe meting van de supergeleidende kloof mogelijk maakte door elektronen-tunnelingmetingen te combineren met elektrische-transportmetingen. Dit stelde hen in staat de supergeleidende toestand in realtime te volgen.

De co-hoofdauteurs van de studie, Shuwen Sun, een afgestudeerd student in de natuurkunde aan MIT, en Jeong Min Park, PhD, ontwikkelden en pasten deze techniek toe. Hun werk bevestigde dat het V-vormige profiel van de kloof uitsluitend verscheen wanneer het materiaal de nul-weerstandstoestand vertoonde. De implicaties van deze ontdekking zijn strategisch; het begrijpen van onconventionele supergeleiders is essentieel voor de ontwikkeling van energie-efficiënte technologieën, met als uiteindelijk doel supergeleiders die bij kamertemperatuur functioneren.

De onderzoeksgroep omvatte ook medeauteurs Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute for Materials Science in Japan, wat de internationale aard van het onderzoek benadrukt. Het feit dat de V-vormige kloof een ander, vermoedelijk robuuster, koppelingsmechanisme dan de conventionele fonon-gemedieerde koppeling suggereert, opent de deur naar nieuwe theoretische kaders voor materiaalontwerp. Eerdere studies naar gerelateerde structuren, zoals magisch-hoek gedraaid dubbellaags grafeen (MATBG), wezen al op sterke elektronische correlaties, maar de directe observatie in het drielaags materiaal levert de meest directe bevestiging tot nu toe.

De structuur van MATTG is een product van 'twistronica', een veld dat ontstond nadat MIT-fysici, waaronder Pablo Jarillo-Herrero, in 2018 voor het eerst de effecten van een specifieke draaihoek in grafeenlagen observeerden. Grafeen, een enkele laag koolstofatomen in een honingraatpatroon, vertoont door deze precieze stapeling op de 'magische hoek' — ongeveer 1,56 graden — verrassende kwantumfysische eigenschappen. De nieuwe resultaten tonen aan dat de supergeleiding in MATTG, dat een betere afstembaarheid van de elektronische structuur biedt dan zijn dubbellaagse tegenhanger, nauw verbonden is met een gebroken-symmetriefase die ontstaat bij twee ladingdragers per moiré-eenheidscel.

De onderzoekers stellen dat het nauwkeurig karakteriseren van de supergeleidende kloof cruciaal is voor het ontrafelen van het koppelingsproces, aangezien deze de veerkracht van de supergeleidende toestand beschrijft. De bevindingen suggereren dat de elektronenparen in MATTG strakker gebonden zijn dan in conventionele systemen, wat de hypothese van sterke elektronische interacties als de drijvende kracht ondersteunt. Dit onderzoek wordt gefinancierd door instanties zoals het U.S. Army Research Office en het U.S. Air Force Office of Scientific Research, wat de brede erkenning van het belang van dit onderzoek in de kwantummaterialenagenda weerspiegelt.