뒤틀린 물리학: MIT의 준결정 초전도성 혁신

새롭고 유연한 플랫폼은 신비한 물질을 만들고 이상한 현상에 대한 새로운 연구로 이어질 수 있습니다.

준결정으로 알려진 신비한 종류의 물질에 대한 관심을 불러일으킬 수 있는 연구에서, 매사추세츠 공과대학 과학자들과 동료들은 관심 현상에 맞게 조정할 수 있는 새롭고 원자적으로 얇은 버전을 생성하는 비교적 간단하고 유연한 방법을 발견했습니다. 저널 최신호에 보고된 연구에서 자연그들은 재료가 초전도성 등을 나타내도록 하기 위해 그렇게 하는 것을 설명합니다.

이 연구는 준결정에 대해 더 많이 배울 수 있을 뿐만 아니라 연구하기 어려울 수 있지만 중요한 응용과 새로운 물리학으로 이어질 수 있는 이국적인 현상을 탐구할 수 있는 새로운 플랫폼을 제공합니다. 예를 들어, 전자가 저항 없이 물질을 통과하는 초전도성을 더 잘 이해하면 보다 효율적인 전자 장치를 만들 수 있습니다.

원자적으로 얇은 그래핀 세 장을 겹쳐서 만든 모아레 준결정(가운데 기둥)의 이미지. 크레딧: Sergio C. 데 라 바레라/토론토 대학교

Twisttronics 및 준결정과의 연관성

이 작업은 이전에 연결되지 않았던 두 가지 분야, 즉 준결정과 뒤틀린 전자공학을 통합합니다. 후자는 MIT 물리학과의 세실 그린(Cecil) 그린과 아이다 그린(Ida Green) 교수이자 새 책의 교신저자인 파블로 야릴로 헤레로(Pablo Jarillo Herrero)의 전문 분야입니다. 자연 2018년에 “마법의 각도”로 그래핀이 획기적인 발전을 이루면서 이 분야가 발전했습니다.

MIT 재료 연구에 참여하고 있는 Jarillo-Herrero는 “키랄 전자 분야가 물리학 및 화학의 다른 분야, 즉 아름답고 이상한 준주기 결정의 세계와 계속해서 예상치 못한 연결을 만들고 있다는 것은 정말 놀라운 일입니다.”라고 말합니다. 연구실과 MIT.”. MIT 전자 연구소.

Twisttronics의 주목할만한 발전

Twisttronics 기술에는 서로 겹쳐진 얇은 재료 층이 포함됩니다. 하나 이상의 레이어를 약간의 각도로 회전하거나 비틀면 슈퍼 모아레 메시라는 독특한 패턴이 생성됩니다. 모아레 패턴은 전자의 행동에 영향을 미칩니다. 세르지오 C 말한다: 최근 연구의 공동 저자 4명 중 한 명인 de la Barrera는 “이는 전자가 사용할 수 있는 에너지 수준의 스펙트럼을 변화시키고 흥미로운 현상이 나타날 수 있는 조건을 제공할 수 있습니다.”라고 말했습니다. MIT에서 박사후 연구원으로 이 작업을 수행한 De la Barrera는 현재 토론토 대학의 조교수입니다.

Aviram Uri(왼쪽)와 Sergio C. 드 라 바레라(de la Barrera)는 준결정(quasicrystal)이라고 알려진 잘 알려지지 않은 물질로부터 초전도성을 추출한 팀의 일원입니다. Uri는 MIT의 Pappalardo이자 VAT 박사후 연구원입니다. De la Barrera는 토론토 대학의 조교수입니다. 출처: Eva Cheung/토론토 대학교

모아레 시스템은 시스템에 추가되는 전자 수를 변경하여 다양한 동작에 맞게 설계할 수도 있습니다. 그 결과, 키랄 전자 분야는 지난 5년 동안 엄청난 발전을 이루었으며 전 세계 연구자들이 원자적으로 얇은 새로운 양자 물질을 만들기 위해 이를 적용했습니다. MIT의 예는 다음과 같습니다.

• 매직 앵글 트위스트 이중층으로 알려진 모아레 소재 변환 그래핀 세 가지 서로 다른 유용한 전자 장치로 분류됩니다. (2021년에 보고된 이 작업에 참여한 과학자 중에는 현재 작업의 공동 제1저자이자 MIT 물리학 박사후 연구원인 Daniel Rodin-Legren이 있었습니다. 그들은 Jarilo Herrero가 이끌었습니다.)
• 새로운 자산인 광전지를 잘 알려진 제품군으로 엔지니어링합니다. 반도체. (이 연구에 참여한 과학자들은 2021년에 보고됨Jarillo Herrero가 이끄는.)
• 새롭고 이상한 자기 현상을 예측하고, 이를 달성하기 위한 “레시피”를 완성합니다. (이 연구에 참여한 과학자들은 2023년에 보고됨에는 MIT 물리학 교수 Liang Fu와 MIT 물리학 대학원생 Nisarja Paul이 포함되었습니다. Fu와 Paul은 모두 현재 논문의 공동 저자입니다.)

준결정 공개

현재 연구에서 연구진은 세 장의 그래핀으로 구성된 모아레 시스템을 연구하고 있었습니다. 그래핀은 벌집 구조와 유사한 육각형 모양으로 배열된 단일 탄소 원자 층으로 구성됩니다. 이번 경우, 연구팀은 그래핀 3개 층을 서로 겹쳐 쌓았지만, 두 시트를 약간 다른 각도로 비틀었습니다.

놀랍게도 이 시스템은 1980년대에 발견된 특이한 종류의 물질인 수정처럼 보이는 것을 만들어냈습니다. 이름에서 알 수 있듯이 준결정은 규칙적인 반복 구조를 갖는 다이아몬드와 같은 결정과 “원자가 모두 혼합되거나 무작위로 배열되는” 유리와 같은 비정질 물질 사이의 어딘가에 속한다고 de la는 말합니다. 발레라. 간단히 말해서, 드 라 바레라(de la Barrera)는 준결정이 “정말 이상한 패턴을 가지고 있다”고 말합니다(몇 가지 예 참조). 여기).

그러나 결정이나 비정질 물질에 비해 준결정에 대해서는 알려진 바가 상대적으로 적습니다. 부분적으로는 만들기가 어렵기 때문입니다. “그렇다고 해서 그것이 흥미롭지 않다는 뜻은 아닙니다. 특히 전자적 특성에 대해 우리가 많은 관심을 기울이지 않았다는 뜻입니다.”라고 de la Barrera는 말합니다. 비교적 단순한 새 플랫폼이 이러한 상황을 바꿀 수 있습니다.

더 많은 통찰력과 협업

원 연구자들은 준결정 전문가가 아니었기 때문에 한 사람, 즉 텔아비브 대학의 Ron Lifshitz 교수에게 연락했습니다. 논문의 공동 제1저자 중 한 명이자 Pappalardo 및 Vatat MIT 박사후 연구원인 Aviram Uri는 텔아비브에서 학부 과정을 밟는 동안 Lifshitz의 학생이었으며 준결정에 대한 그의 연구를 알고 있었습니다. 저자이기도 한 리프시츠(Lifshitz) 자연 이 논문은 팀이 그들이 보고 있는 것, 즉 준결정 모아레라고 부르는 것을 더 잘 이해하는 데 도움이 되었습니다.

다음으로 물리학자들은 모아레 준결정을 미세 조정하여 초전도체로 만들거나 특정 저온 이하에서 전혀 저항 없이 전류를 전도하게 했습니다. 초전도 장치는 오늘날 가능한 것보다 훨씬 더 효율적으로 전자 장치를 통해 전류를 전달할 수 있기 때문에 중요하지만, 이 현상은 아직 모든 경우에서 완전히 이해되지는 않습니다. 새로운 주름형 준결정 시스템은 이를 연구하는 새로운 방법을 제공합니다.

연구팀은 또한 “전자가 서로 매우 강하게 상호작용하고 있음을 알려주는” 또 다른 현상인 대칭 파괴의 증거도 발견했습니다. “양자 물리학자와 재료 과학자로서 우리는 전자가 서로 상호작용하기를 원합니다. 왜냐하면 그곳에서 이국적인 물리학이 발생하기 때문입니다.”라고 de la Barrera는 말합니다.

결국 “대륙을 넘나드는 논의를 통해 우리는 이 사실을 해독할 수 있었고 이제 우리는 무슨 일이 일어나고 있는지에 대해 잘 통제할 수 있다고 생각합니다.”라고 Urey는 말합니다. 하지만 그는 “우리는 아직 시스템을 완전히 이해하지 못했습니다”라고 지적합니다. .” . 아직 미스터리가 꽤 많아요.”

연구의 가장 좋은 부분은 “우리가 실제로 만든 것의 수수께끼를 푸는 것”이라고 de la Barrera는 말합니다. “우리는 기대하고 있었어요 [something else]그래서 우리가 실제로 매우 새롭고 다른 것을 보고 있다는 것을 깨달았을 때 그것은 매우 기분 좋은 놀라움이었습니다.

Urey는 “저에게도 같은 대답입니다.”라고 말합니다.

참고 자료: Aviram Uri, Sergio C.의 “조정 가능한 모아레 준결정의 초전도성과 강한 상호 작용” 드 라 바레라, 말리카 T. 랜드리아, 다니엘 로댕-레그렌, 트립 데바쿨, 필립 J.D. 크로울리, 니사르자 폴, 와타나베 켄지, 타니구치 다카시, 론 리프시츠, 리앙 푸, 레이먼드 C. Ashuri, Pablo Jarillo Herrero, 2023년 7월 19일, 자연.
도이: 10.1038/s41586-023-06294-z

추가 작성자 자연 이 논문은 MIT 물리학 교수인 Raymond C. Ashouri가 작성했습니다. MIT에서 Pappalardo Fellow로 연구를 수행했으며 본 논문의 공동 제1저자인 MIT Lincoln Laboratory의 연구원인 Malika T. Randrea; MIT에서 박사후 연구원으로 연구를 수행한 스탠포드 대학교 조교수 Trithip Devakul; Harvard University의 박사후 연구원인 Philip J.D. Crowley; 일본 국립 재료 과학 연구소의 Kenji Watanabe와 Takashi Taniguchi.

이 연구는 미 육군 연구소, 미국 국립 과학 재단, Gordon and Betty Moore 재단, MIT Pappalardo 펠로우십, 양자 과학 기술 분야 VATAT 박사후 펠로우십, JSPS KAKENHI 및 이스라엘 과학 재단의 자금 지원을 받았습니다.