Física retorcida: avance de la superconductividad cuasicristalina en el MIT

Una nueva plataforma flexible podría crear materiales misteriosos y conducir a nuevos estudios de fenómenos extraños.

En una investigación que puede despertar interés en una misteriosa clase de materiales conocidos como cuasicristales, Instituto de Tecnología de Massachusetts Científicos y colegas han descubierto una forma relativamente sencilla y flexible de crear nuevas versiones atómicamente delgadas que pueden ajustarse para adaptarse a fenómenos de interés. En el trabajo publicado en el último número de la revista naturalezadescriben hacer precisamente eso para que el material exhiba superconductividad y más.

La investigación proporciona una nueva plataforma no sólo para aprender más sobre los cuasicristales, sino también para explorar fenómenos exóticos que pueden ser difíciles de estudiar pero que pueden conducir a importantes aplicaciones y nueva física. Por ejemplo, una mejor comprensión de la superconductividad, donde los electrones atraviesan un material sin resistencia, podría permitir dispositivos electrónicos más eficientes.

Imagen de un cuasicristal muaré (columna central) creado por tres láminas superpuestas de grafeno atómicamente delgado. Crédito: Sergio C. De la Barrera/Universidad de Toronto

Twistronics y su asociación con cuasicristales

Este trabajo reúne dos campos previamente desconectados: los cuasicristales y la electrónica retorcida. Esta última es la especialidad de Pablo Jarillo Herrero, profesor de Física Cecil e Ida Green en el MIT y autor correspondiente del nuevo libro. naturaleza El avance del grafeno en un “ángulo mágico” en 2018 catapultó el campo.

«Es realmente extraordinario que el campo de la electrónica quiral siga estableciendo conexiones inesperadas con otras áreas de la física y la química, en este caso el hermoso y extraño mundo de los cristales cuasperiódicos», dice Jarillo-Herrero, quien también está afiliado a la Investigación de Materiales del MIT. Laboratorio y MIT.» Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.

Novedades notables en Twistronics

La tecnología Twistronics implica capas delgadas de materiales superpuestos uno encima del otro. Girar o girar una o más capas en un ligero ángulo crea un patrón único llamado malla súper muaré. El patrón muaré, a su vez, influye en el comportamiento de los electrones. SergioC dice: «Cambia el espectro de niveles de energía disponibles para los electrones y podría proporcionar las condiciones para que surjan fenómenos interesantes», dijo de la Barrera, uno de los cuatro coautores del estudio reciente. De la Barrera, que realizó este trabajo como postdoctorado en el MIT, es ahora profesor asistente en la Universidad de Toronto.

Aviram Uri (izquierda) y Sergio C. Los de la Barrera forman parte de un equipo que extrajo la superconductividad de una clase oscura de materiales conocidos como cuasicristales. Uri es Pappalardo e investigador postdoctoral en IVA en el MIT; De la Barrera es profesor asistente en la Universidad de Toronto. Crédito: Eva Cheung/Universidad de Toronto

Un sistema muaré también se puede diseñar para diferentes comportamientos variando la cantidad de electrones agregados al sistema. Como resultado, el campo de la electrónica quiral ha sido testigo de un enorme desarrollo en los últimos cinco años, con investigadores de todo el mundo aplicándolo para crear nuevos materiales cuánticos atómicamente delgados. Los ejemplos del MIT solo incluyen:

• Conversión de un material muaré conocido como bicapa retorcida de ángulo mágico Grafeno en tres dispositivos electrónicos diferentes y útiles. (Entre los científicos involucrados en este trabajo, informado en 2021, se encontraba Daniel Rodin-Legren, coprimer autor del trabajo actual e investigador postdoctoral en física del MIT. Fueron dirigidos por Jarilo Herrero).
• Transformar una nueva propiedad, la fotovoltaica, en una conocida familia de Semiconductores. (Los científicos involucrados en este trabajo, Reportado en 2021dirigido por Jarillo Herrero.)
• Predecir fenómenos magnéticos nuevos y extraños, junto con la «receta» para lograrlos. (Los científicos involucrados en este trabajo, Reportado en 2023, incluido el profesor de física del MIT Liang Fu y Nisarja Paul, estudiante de posgrado en física del MIT. Tanto Fu como Paul son coautores del artículo actual).

Revelando cuasicristales

En el trabajo actual, los investigadores estaban jugando con un sistema muaré hecho de tres láminas de grafeno. El grafeno consta de una única capa de átomos de carbono dispuestos en formas hexagonales que se asemejan a una estructura de panal. En este caso, el equipo colocó tres capas de grafeno una encima de la otra, pero torció dos de las hojas en ángulos ligeramente diferentes.

Para su sorpresa, el sistema creó lo que parecía un cristal, una clase inusual de material que había sido descubierto en la década de 1980. Como sugiere el nombre, los cuasicristales se encuentran en algún lugar entre un cristal, como un diamante, que tiene una estructura repetitiva regular, y un material amorfo, como el vidrio, «donde los átomos están todos mezclados o dispuestos al azar», dice de la Barrera. En resumen, de la Barrera dice que los cuasicristales “tienen patrones realmente extraños” (ver algunos ejemplos aquí).

Sin embargo, en comparación con los cristales y los materiales amorfos, se sabe relativamente poco sobre los cuasicristales. Esto se debe en parte a que son difíciles de hacer. «Eso no significa que no sea interesante; significa que no le hemos prestado mucha atención, especialmente a sus propiedades electrónicas», dice de la Barrera. La nueva plataforma, relativamente simple, podría cambiar eso.

Más conocimientos y colaboración

Como los investigadores originales no eran expertos en cuasicristales, recurrieron a una persona: el profesor Ron Lifshitz de la Universidad de Tel Aviv. Aviram Uri, uno de los primeros coautores del artículo y becario postdoctoral Pappalardo y Vatat del MIT, fue alumno de Lifshitz durante sus estudios universitarios en Tel Aviv y estaba al tanto de su trabajo sobre cuasicristales. Lifshitz, quien también es autor de naturaleza El artículo ayudó al equipo a comprender mejor lo que estaban viendo, lo que llaman muaré cuasicristalino.

A continuación, los físicos ajustaron el cuasicristal muaré para convertirlo en superconductor, o conducir corriente sin ninguna resistencia por debajo de una cierta temperatura baja. Esto es importante porque los dispositivos superconductores pueden transmitir corriente a través de dispositivos electrónicos de manera mucho más eficiente de lo que es posible hoy en día, pero este fenómeno aún no se comprende completamente en todos los casos. El nuevo sistema cuasicristalino corrugado proporciona una nueva forma de estudiarlo.

El equipo también encontró evidencia de ruptura de simetría, otro fenómeno que «nos dice que los electrones interactúan entre sí con mucha fuerza». «Como físicos cuánticos y científicos de materiales, queremos que nuestros electrones interactúen entre sí porque ahí es donde ocurre la física exótica», dice de la Barrera.

Al final, «a través de discusiones entre continentes, pudimos descifrar esto, y ahora creemos que tenemos un buen control sobre lo que está sucediendo», dice Urey, aunque señala que «todavía no entendemos completamente el sistema». .” . Todavía hay bastantes misterios”.

La mejor parte de la investigación, dice de la Barrera, fue «resolver el enigma de lo que realmente hicimos». “Estábamos esperando [something else]Así que fue una sorpresa muy agradable cuando nos dimos cuenta de que en realidad estábamos ante algo muy nuevo y diferente.

«Es la misma respuesta para mí», dice Urey.

Referencia: “Superconductividad e interacciones fuertes en un cuasicristal muaré sintonizable” por Aviram Uri, Sergio C. de la Barrera y 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 julio de 2023, naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-023-06294-z

Autores adicionales para naturaleza El artículo es del profesor de física del MIT Raymond C. Ashouri; Malika T. Randrea, investigadora del Laboratorio Lincoln del MIT que realizó el trabajo como becaria Pappalardo en el MIT y es coautora primera de este artículo; Trithip Devakul, profesor asistente de la Universidad de Stanford que realizó el trabajo como investigador postdoctoral en el MIT; Philip J.D. Crowley, investigador postdoctoral de la Universidad de Harvard; y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.

Este trabajo fue financiado por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., la Fundación Gordon y Betty Moore, una beca Pappalardo del MIT, una beca posdoctoral distinguida de VATAT en ciencia y tecnología cuánticas, JSPS KAKENHI y la Fundación de Ciencias de Israel.