Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los EE. UU. Berkeley Lab han desarrollado un dispositivo de grafeno que es más delgado que un cabello humano pero tiene una profundidad de rasgos especiales. Se cambia fácilmente de un material superconductor que conduce electricidad sin perder energía., a un aislante que resiste el flujo de corriente eléctrica, y nuevamente a un superconductor, todo con un simple interruptor. Sus hallazgos se informaron hoy en la revista Naturaleza .
"Por lo general, cuando alguien quiere estudiar cómo interactúan los electrones entre sí en una fase cuántica superconductora versus una fase aislante, tendrían que mirar diferentes materiales. Con nuestro sistema, puede estudiar tanto la fase de superconductividad como la fase de aislamientoen un lugar ", dijo Guorui Chen, autor principal del estudio e investigador postdoctoral en el laboratorio de Feng Wang, quien dirigió el estudio. Wang, científico de la facultad en la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio Berkeley, también es profesor de física en la Universidad de Berkeley."
El dispositivo de grafeno se compone de tres capas de grafeno atómicamente delgadas 2D. Cuando se intercala entre capas 2D de nitruro de boro, forma un patrón repetitivo llamado superredes de muaré. El material podría ayudar a otros científicos a comprender la complicada mecánica detrás de un fenómenoconocido como superconductividad a alta temperatura, donde un material puede conducir electricidad sin resistencia a temperaturas más altas de lo esperado, aunque todavía a cientos de grados por debajo del punto de congelación.
En un estudio anterior, los investigadores informaron haber observado las propiedades de un aislante Mott en un dispositivo hecho de grafeno de tres capas. Un aislante Mott es una clase de material que de alguna manera deja de conducir electricidad a cientos de grados bajo cero a pesar de la teoría clásica que predice la conductividad eléctrica.Pero desde hace tiempo se cree que un aislante Mott puede volverse superconductor al agregar más electrones o cargas positivas para hacerlo superconductor, explicó Chen.
Durante los últimos 10 años, los investigadores han estado estudiando formas de combinar diferentes materiales 2D, a menudo comenzando con el grafeno, un material conocido por su capacidad para conducir eficientemente el calor y la electricidad. Fuera de este trabajo, otros investigadores descubrieron queLas superredes de moiré formadas con grafeno exhiben una física exótica como la superconductividad cuando las capas se alinean en el ángulo correcto.
"Entonces, para este estudio nos preguntamos: 'Si nuestro sistema de grafeno de tres capas es un aislante Mott, ¿podría ser también un superconductor?'", Dijo Chen.
Abriendo la puerta a un nuevo mundo de la física
En colaboración con David Goldhaber-Gordon de la Universidad de Stanford y el Instituto de Stanford para Materiales y Ciencias de la Energía en el Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC, y Yuanbo Zhang de la Universidad de Fudan, los investigadores utilizaron un refrigerador de dilución, que puede alcanzar temperaturas extremadamente bajas de 40 milikelvins -- o casi menos 460 grados Fahrenheit - para enfriar el dispositivo de nitruro de grafeno / boro a una temperatura a la que los investigadores esperaban que apareciera la superconductividad cerca de la fase del aislador Mott, dijo Chen.
Una vez que el dispositivo alcanzó una temperatura de 4 grados Kelvin menos 452 grados Fahrenheit, los investigadores aplicaron un rango de voltajes eléctricos a las pequeñas puertas superior e inferior del dispositivo. Como esperaban, cuando aplicaron un campo eléctrico vertical alto aTanto en las puertas superior como inferior, un electrón llenó cada celda del dispositivo de nitruro de grafeno / boro. Esto hizo que los electrones se estabilizaran y permanecieran en su lugar, y esta "localización" de electrones convirtió el dispositivo en un aislador Mott.
Luego, aplicaron un voltaje eléctrico aún mayor a las puertas. Para su deleite, una segunda lectura indicó que los electrones ya no eran estables. En cambio, se desplazaban de una celda a otra y conducían electricidad sin pérdida oresistencia. En otras palabras, el dispositivo había cambiado de la fase de aislador Mott a la fase de superconductor.
Chen explicó que la superrejilla de moiré de nitruro de boro aumenta de alguna manera las interacciones electrón-electrón que tienen lugar cuando se aplica un voltaje eléctrico al dispositivo, un efecto que activa su fase superconductora. También es reversible, cuando un voltaje eléctrico más bajoaplicado a las puertas, el dispositivo vuelve a un estado aislante.
El dispositivo multitarea ofrece a los científicos un campo de juego pequeño y versátil para estudiar la exquisita interacción entre átomos y electrones en nuevos materiales superconductores exóticos con uso potencial en computadoras cuánticas: computadoras que almacenan y manipulan información en qubits, que generalmente son partículas subatómicas comoelectrones o fotones, así como nuevos materiales aislantes Mott que algún día podrían hacer realidad los pequeños transistores Mott 2D para microelectrónica.
"Este resultado fue muy emocionante para nosotros. Nunca imaginamos que el dispositivo de grafeno / nitruro de boro funcionaría tan bien", dijo Chen. "Se puede estudiar casi todo con él, desde partículas individuales hasta superconductividad. Es el mejor sistema Isaber para estudiar nuevos tipos de física ", dijo Chen.
Este estudio fue apoyado por el Centro de Nuevos Caminos hacia la Coherencia Cuántica en Materiales NPQC, un Centro de Investigación de la Frontera Energética dirigido por Berkeley Lab y financiado por la Oficina de Ciencia del DOE. NPQC reúne a investigadores en Berkeley Lab, Laboratorio Nacional Argonne, La Universidad de Columbia y la UC Santa Bárbara para estudiar cómo la coherencia cuántica subyace a fenómenos inesperados en nuevos materiales como el grafeno de tres capas, con miras a los usos futuros en la ciencia y tecnología de la información cuántica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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