Magisk vinkel gør grafen superledende og isolerende

Illustration: ETH Zürich

Grafen bliver ved med at overraske. Nu har forskere ved ETH i Zürich vist, at de ved hjælp af elektroder med forskellige spændinger kan få et område på et stykke grafen til at være superledende, mens et andet område fungerer som isolator – vel at mærke med en afstand på cirka 100 nanometer.

Det hele bygger på en ‘magisk’ vinkel, som forskere fra MIT opdagede i 2018. Den magiske vinkel betyder, at atomkrystalgitteret i de to stykker grafen danner et moiré-mønster, hvor materialets elektroner opfører sig anderledes end i almindelig grafen. De fleste kender sikkert moiré-mønstre fra gammeldags tv med billedrør.

Forskerne opdagede, at hvis de to lag af grafen sættes sammen med en vinkel på 1,06 grader, så kan materialet blive superledende ved en temperatur på lige over det absolutte nulpunkt, hvis der påføres en spænding. Hvis det får en anden spænding, så bliver det isolerende.

Elektronmikroskopbillede af ‘Josephson-junction’ (falske farver). Ved hjælp af elektroderne kan der oprettes et isolerende lag, der kun er 100 nanometer tykt mellem de to superledende områder. Illustration: ETH Zürich

Nu har forskerne fra ETH Zürich opbygget en såkaldt Josephson-junction af grafen. Sådan en er karakteriseret ved, at to superledere er adskilt af et isolerende lag. Men mellem de to superledende lag vil der opstå en kvantemekanisk tunnelering, så de tre lag samlet vil opføre sig som en slags kontakt, hvor ledningsevnen varierer i forhold til strømstyrken i de superledende lag, og om der er tale om veksel- eller jævnstrøm.

Normalt har denne type kontakter været opbygget af avancerede materialer. Alt dette kan altså nu gøres på det samme stykke grafen.

Forskerne tror, at der er mange mulige anvendelser for en grafen-Josephson-junction. Det kunne for eksempel være en SQUID (Superconducting QuantUm Interference Device). Her er to Josephson junctions forbundet i en ring, hvilket kan bruges til MR-scanning eller i en kvantecomputer.

»Indtil videre er det kun spekulation. Men med elektroderne kan vi praktisk talt spille klaver på grafen,« siger Klaus Ensslin, der har ledet forskningen.

Resultaterne er offentliggjort i Nature Nanotechnology.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Forskerne tror, at der er mange mulige anvendelser for en grafen-Josephson-junction. Det kunne for eksempel være en SQUID (Superconducting QuantUm Interference Device). Her er to Josephson junctions forbundet i en ring, hvilket kan bruges til MR-scanning eller i en kvantecomputer.

En SQUID bruges i meget andet end MR scannere og kvantecomputere. Hele ideen i en SQUID er, at bygge en enhed som er ekstremt følsom for magnetfelter. Følsomheden kommer fordi superledende tunnelerende elektroner er ekstremt følsomme overfor magnetfelter når de tunnellerer. Magnetfelter bryder det superledende elektron-par (Cooper / BCS parret), og junctionen skifter fra 0 ohm til afbrudt - dvs. noget som er nemt at måle.

SQUIDs kan i dag laves så følsomme, at de kan detekterer et enkelt flux kvant. Det betyder at man kan bygge meget følsomme antenner, som, f.eks. kan opfange magnetfelter under vand (bruges til kommunikation med u-både), og i satellitter hvor man kan måle magnetfelter i rummet.

  • 4
  • 0

Den første SQUID blev bygget af ren niobium, men findes også i varianter med bly legeringer (bly legeres typisk med guld eller indium for at gøre det mere stabilt overfor gentagede temperaturændringer).

Fra starten af 90'erne har man også brugt SQUIDs baseret på de keramiske superledere, bl.a. fordi man så kan nøjes med at køle til omkring 45K.

De keramiske SQUIDs bruges også som RF (AC) SQUIDs, til at bygge meget præcise højfrekvens filtre og antenner med - de kaldes også SQIF (Superconducting Quantum Interference Filter).

  • 1
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten