MIT 물리학자들은 ‘매직 앵글’ 3층 그래핀이 희귀한 자기 저항성 초전도체일 수 있음을 발견했습니다.

새로운 발견은 더 강력한 MRI 기계 또는 강력한 양자 컴퓨터를 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.

매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology)의 물리학자들은 매직 앵글 꼬인 3층 그래핀(magic-angle twisted three-layer graphene)이라는 물질에서 드문 유형의 초전도성의 징후를 발견했습니다. 에 나타난 연구에서 자연연구진은 이 물질이 최대 10테슬라(Tesla)의 놀라울 정도로 높은 자기장에서 초전도성을 나타낸다고 보고했으며, 이는 기존 초전도체일 경우 물질이 견딜 것으로 예상되는 것보다 3배나 높은 것입니다.

결과는 같은 그룹에 의해 처음 발견된 마법의 3층 그래핀이 높은 자기장에 영향을 받지 않는 “스핀 삼중항”으로 알려진 매우 드문 유형의 초전도체임을 강력하게 시사합니다. 이러한 이국적인 초전도체는 자기장 아래에서 초전도 와이어를 사용하여 생물학적 조직과 공명하고 이미지를 생성하는 자기 공명 영상과 같은 기술을 크게 향상시킬 수 있습니다. MRI 기계는 현재 1~3테슬라의 자기장으로 제한됩니다. 3중 스핀 초전도체를 사용하여 제작할 수 있다면 MRI는 더 높은 자기장에서 작동하여 인체에 대한 더 선명하고 깊은 이미지를 생성할 수 있습니다.

삼중층 그래핀에서 삼중 스핀 초전도성에 대한 새로운 증거는 과학자들이 실용적인 양자 컴퓨팅을 위한 더 강력한 초전도체를 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.

“이 실험의 가치는 기본 초전도와 물질이 어떻게 작용할 수 있는지에 대해 가르쳐서 이러한 수업을 통해 더 쉽게 제작할 수 있는 다른 물질의 원리를 설계하려고 시도할 수 있고 아마도 더 나은 초전도를 줄 수 있다는 것입니다. “라고 매사추세츠 공과 대학의 물리학 교수인 Pablo Jarillo-Herrero, Cecil 및 Ida Green 교수는 말합니다.

논문의 공동 저자로는 매사추세츠 공과대학의 Yuan Kao와 대학원생인 박정민, 일본 국립재료과학연구소의 Kenji Watanabe와 Takashi Taniguchi가 있습니다.

이상한 변신

초전도 물질은 에너지 손실 없이 전기를 전도하는 매우 효율적인 능력으로 정의됩니다. 전류에 노출되면 초전도체의 전자는 “쿠퍼 쌍”으로 쌍을 이루며 고속 열차의 승객처럼 저항 없이 물질을 통해 이동합니다.

대다수의 초전도체에서 이러한 승객 쌍은 반대 스핀을 가지며 하나의 전자는 위로 회전하고 다른 하나는 아래로 회전합니다. 구성은 “스핀 특이점”으로 알려져 있습니다. 이 쌍은 초전도체에 의해 가속되지만 높은 자기장은 각 전자의 에너지를 반대 방향으로 이동시켜 쌍을 서로 분리할 수 있습니다. 이러한 방식과 메커니즘을 통해 높은 자기장은 기존의 스핀 초전도체에서 초전도성을 방해할 수 있습니다.

박 교수는 “이것이 충분히 큰 자기장에서 초전도 현상이 사라지는 궁극적인 이유”라고 말했다.

그러나 자기장의 영향을 받지 않는 몇 가지 이상한 초전도체, 심지어 매우 큰 강도도 있습니다. 이러한 물질은 “삼중 스핀”으로 알려진 특성인 동일한 스핀을 가진 전자 쌍을 통해 초전도체입니다. 높은 자기장에 노출되면 Cooper 쌍의 두 전자의 에너지가 같은 방향으로 이동하여 자기장의 세기에 관계없이 서로 분리되지 않고 방해 없이 초전도를 계속합니다.

Jarillo-Herrero의 그룹은 3층 마법각 그래핀이 특이한 3중 스핀 초전도성에 대한 단서를 가질 수 있는지 여부에 대해 궁금했습니다. 팀은 특정 각도로 적층될 때 놀라운 전자 동작으로 이어질 수 있는 원자-얇은 탄소 격자의 층인 그래핀 모아레 구조를 연구하는 획기적인 작업을 수행했습니다.

연구원들은 처음에 두 개의 각진 그래핀 시트에서 이러한 독특한 특성을 보고했으며, 이를 매직 이중층 그래핀이라고 불렀습니다. 그들은 더 높은 온도에서 초전도성을 유지하면서 2층 대응물보다 더 강한 것으로 밝혀진 3개의 그래핀 시트의 샌드위치 형성인 3층 그래핀의 테스트를 곧 따랐습니다. 연구자들이 적당한 자기장을 가했을 때, 3층 그래핀이 이중층 그래핀의 초전도성을 파괴할 수 있는 자기장 강도에서 초전도가 가능하다는 것을 알아냈습니다.

“우리는 이것이 매우 이상한 일이라고 생각했습니다.”라고 Jarilo Herrero는 말합니다.

기적적인 컴백

새로운 연구에서 물리학자들은 점점 더 높은 자기장에서 3층 그래핀의 초전도성을 테스트했습니다. 그들은 흑연 블록에서 탄소의 얇은 층을 박리하고 세 층을 함께 쌓고 중간 층을 외부 층에 대해 1.56도 회전시켜 재료를 제조했습니다. 그들은 전극을 재료의 양쪽 끝에 부착하여 전류를 흐르게 하고 그 과정에서 손실된 에너지를 측정했습니다. 그런 다음 그들은 연구실에 있는 큰 자석을 켰습니다. 자기장이 물질과 평행하게 향하도록 했습니다.

그들이 3층 그래핀 주변의 자기장을 증가시켰을 때, 그들은 초전도성이 사라지기 전에 상당히 강하게 유지되다가 더 높은 자기장 강도에서 흥미롭게 다시 나타났음을 알아차렸습니다. 이는 기존의 초전도체에서는 발생하지 않는 매우 이례적인 부활입니다.

“단일 스핀 초전도체에서 초전도체를 죽이면 다시는 돌아오지 않고 영원히 사라집니다.”라고 Kao는 말합니다. “여기에 다시 나타났습니다. 그래서 이것은 이 재료가 단품이 아니라는 것을 분명히 나타냅니다.”

그들은 또한 “재진입” 후에 초전도가 실험실 자석이 생성할 수 있는 최대 자기장 강도인 10테슬라까지 지속된다는 점에 주목했습니다. 이것은 물질이 초전도성을 유지할 수 있는 최대 자기장을 예측하는 이론인 Pauli 한계에 따르면 초전도체가 기존의 단일 스핀일 경우 초전도체가 견뎌야 하는 것보다 약 3배 더 높습니다.

3층 그래핀 초전도체의 출현은 예상보다 높은 자기장에서의 안정성과 결합되어 물질이 일반 초전도체일 가능성을 배제합니다. 대신, 높은 자기장에 불투과성인 물질을 빠르게 통과하는 쿠퍼 쌍을 호스팅하는 매우 드문, 아마도 삼중항 종일 가능성이 높습니다. 연구팀은 더 강력한 MRI와 더 강력한 양자 컴퓨터를 설계하는 데 도움이 될 수 있는 정확한 스핀 상태를 확인하기 위해 재료를 드릴할 계획입니다.

“일반 양자 컴퓨팅은 매우 취약합니다.”라고 Jarillo Herrero는 말합니다. “당신이 그것을 보면 그것은 호모로 사라집니다. 약 20년 전에 이론가들은 어떤 물질에서 달성될 수 있는 일종의 위상 초전도를 제안했습니다. [enable] 계산을 담당하는 상태가 매우 강력한 양자 컴퓨터. 이것은 컴퓨팅을 할 수 있는 더 많은 무한한 능력을 줄 것입니다. 알아야 할 핵심 요소는 특정 유형의 삼중 스핀 초전도체입니다. 우리 종족이 그런 종류인지는 알 수 없습니다. 그러나 이것이 사실이 아니더라도 이것은 이러한 유형의 초전도성을 엔지니어링하기 위해 다른 재료와 함께 3층 그래핀을 배치하는 것을 용이하게 할 수 있습니다. 훌륭한 해킹이 될 수 있습니다. 하지만 아직 이르다”고 말했다.

참조: “파울리 한계 위반 및 리플 그래핀으로의 초전도 재진입” Yuan Kao, 박정민, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Pablo Jarillo-Herrero, 2021년 7월 21일, 자연.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-y

이 연구는 미국 에너지부, 국립과학재단, Gordon and Betty Moore 재단, Ramon Arises 재단, Sevare Quantum Materials Program의 지원을 받았습니다.