Drie jaar geleden ontdekten natuurkundigen dat twee gestapelde vellen carbon met een kleine draai van 1.1 graad ertussen, kan een duizelingwekkend scala aan gedragingen vertonen. Het meest bekende is dat het materiaal, wanneer het wordt afgekoeld tot lage temperaturen, elektriciteit geleidt zonder weerstand.

Onderzoekers haastten zich om erachter te komen waarom gedraaid dubbellaags grafeen (zoals het wordt genoemd) een supergeleider wordt, met een vorm van supergeleiding die ongewoon robuust lijkt. Veel theoretici hoopten dat de ontdekking hun begrip van supergeleiding zou herschrijven, en misschien zelfs onderzoekers in staat zou stellen materialen te ontwikkelen die het fenomeen bij hogere temperaturen kunnen ondersteunen.

Maar de intense focus op die draai tussen de grafeenvellen was mogelijk een geval van misleiding. Een team van natuurkundigen heeft vandaag aangekondigd op een online conferentie dat ze supergeleiding hebben waargenomen in een driedubbele stapel grafeen zonder enige wending. De ontdekking, geleid door Andrea Jong en Haoxin Zhou van de Universiteit van Californië, Santa Barbara, zouden discussies over supergeleiding in grafeen kunnen resetten. Het heeft sommige theoretici ertoe gebracht te vermoeden dat de supergeleiding van grafeen toch de vanillevariant is.

"Dat is een zeer belangrijke ontdekking die aantoont dat supergeleiding [in grafeen] in zekere zin regelmatig is," zei Sankar Das Sarma, een theoretisch fysicus van de gecondenseerde materie aan de Universiteit van Maryland die niet betrokken was bij het onderzoek.

Maar het bewijs voor conventionele supergeleiding is niet overtuigend. En onderzoekers merken op dat de supergeleiding van gedraaid grafeen nog steeds exotisch kan zijn, zelfs als dat van niet-gedraaide grafeen dat niet is.

Albert Einstein, Richard Feynman en Werner Heisenberg zijn slechts enkele van de titanen van de 20e-eeuwse natuurkunde die probeerden en mislukt om te begrijpen waarom veel metalen stroom voeren zonder weerstand bij lage temperaturen. In 1957, bijna een halve eeuw nadat deze standaard soort supergeleiding werd ontdekt, ontdekten John Bardeen, Leon Cooper en John Robert Schrieffer eindelijk het fenomeen verklaard, een prestatie die hen de Nobelprijs voor de natuurkunde opleverde.

Ze stelden vast dat geluidsgolven in metalen - rimpelingen waar atomen samenkomen, fononen genaamd - concentraties van positieve lading creëren die elektronen aantrekken, die negatief geladen zijn. De fononen plakken elektronen aan elkaar in 'Cooper-paren'. Op deze manier gekoppeld, spelen elektronen volgens verschillende kwantummechanische regels en versmelten ze tot een kwantumvloeistof waarvan de stroom niet langer wordt gegomd door de atomen in het rooster. Deze fonon-gemedieerde theorie, bekend (naar de initialen van de auteurs) als BCS, komt overeen met bijna alle supergeleidingsexperimenten.

Alternatieve manieren om elektronen aan elkaar te lijmen werken op papier, en experimentatoren hebben tekenen gezien van raadselachtig sterk "onconventionele" lijmen in sommige supergeleiders, maar dergelijke claims blijven onopgelost.

'Het is alsof iemand je vertelt dat er in een heel ver dorp op een eiland mensen zijn met drie hoofden,' zei Das Sarma. "Je moet heel, heel sceptisch zijn."

In 2018 dachten sommige onderzoekers dat ze op zo'n mythisch eiland van exotische supergeleiding zouden zijn gestuit, aangezien gedraaid dubbellaags grafeen op de een of andere manier elektronen veel steviger aan elkaar leek te binden dan de meeste supergeleiders. De opwinding steeg eerder dit jaar met de ontdekking van supergeleiding in een soortgelijk systeem: drie lagen grafeen gedraaid onder hun eigen speciale hoek. Beide systemen deelden een zeldzame, 180-graden rotatiesymmetrie, waarvan theoretici beweerden dat ze een bijzonder exotische vorm van supergeleiding zouden kunnen ondersteunen op basis van elektronenwervelingen die bekend staan ​​​​als skyrmionen.

Maar de nieuwe incarnatie van supergeleidend grafeen lijkt opvallend eenvoudig.

ABC drielaags grafeen, zoals Young en zijn collega's hun grafeenstapel noemen, is een van de schoonste en eenvoudigste materialen die ze konden maken. De tweede en derde laag zijn verschoven in plaats van gedraaid, elk door een extra halve honingraat geduwd, zodat de koolstofatomen eronder in het midden van de roosters erboven vallen.

Grafeenplaten stapelen is moeilijk, met of zonder wendingen. Gedraaide apparaten zitten vol rimpels die de magische hoek in verschillende zones verstoren, waardoor elk apparaat uniek is. Zelfs toen Young en collega's hun ABC-drielaagse apparaten maakten, sloegen de meeste pogingen terug in een alternatief stapelpatroon. Maar - in tegenstelling tot de kieskeurige verwrongen monsters - waren degenen die bleven zitten identiek tot op het laatste atoom. De atomen "klikken op hun plaats als lego's", zei Young.

Toen het team hun eerste ABC-apparaat had, gebruikten ze een instelbaar elektrisch veld om elektronen tussen de ongerepte lagen te schudden. Terwijl ze de elektronenverdeling bij cryogene temperaturen afstemden, zagen ze dat het systeem zich net zo gedroeg als verdraaid grafeen, springend tussen verschillende soorten magnetisch gedrag, zoals blijkt uit verschuivingen in hoe het apparaat de elektrische stroom vertraagde. Ze plaatsten hun resultaten in een voordruk van april.

Toen ze de overgangen in meer detail onderzochten, identificeerden ze korte flikkeringen van nul elektrische weerstand - supergeleiding - toen het materiaal ongeveer een tiende van een graad boven het absolute nulpunt was.

Hoewel Young en zijn collega's geen manier hebben om rechtstreeks naar de Cooper-elektronenparen te kijken, vonden ze gedrag dat Bardeen, Cooper en Schrieffer zouden herkennen: het verplaatsen van elektronen tussen de drie lagen verhoogde het aantal mogelijke configuraties waaruit de elektronen konden kiezen, een hoeveelheid bekend als de 'dichtheid van staten' van het systeem. Bij hoge toestandsdichtheid kunnen elektronen gemakkelijker onderling verbroederen. De BCS-theorie voorspelt dat deze elektronische vrijheid de vorming van Cooper-paren bevordert, en dat is wat de onderzoekers vonden: naarmate de dichtheid van toestanden toenam, vertoonde het materiaal twee blips van supergeleiding.

Aangezien de BCS-vergelijking lijkt te kloppen, kunnen gewone fononen verantwoordelijk zijn voor de supergeleiding.

'Het kwaakt als een eend en het loopt als een eend,' zei Das Sarma. "Fononen zijn natuurlijk om aan te nemen."

Anderen zijn minder overtuigd en merken op dat het bewijs dat fononen in ABC drielaags grafeen ondersteunt, ruw blijft. Supergeleiding lijkt te volgen met de hogere dichtheid van toestanden, maar dat betekent niet dat de BCS-vergelijking in detail wordt nageleefd, zei Mike Zaletel, een fysicus van de gecondenseerde materie aan de University of California, Berkeley, die tijdens het onderzoek met Young overlegde en hielp bij het ontwikkelen van de skyrmion-theorie van supergeleiding.

In de gegevens van Young ziet Zaletel hints van een licht exotisch soort supergeleiding - zoiets als een eiland met een zesvingerige bevolking, in plaats van mensen met drie hoofden. Hij legde uit dat beide flitsen van supergeleiding verschenen onmiddellijk voordat de elektronen zich organiseerden in ferromagnetische toestanden, waar hun spinrichtingen werden uitgelijnd. Toen de regio's van elektronen in de rij begonnen te staan, hadden deze fluctuerende zakken van uniformiteit elektronen in Cooper-paren kunnen leiden, net zoals fononen dat doen.

Young's groep test al of ferromagnetisme de sleutel is tot het ontstaan ​​van supergeleiding in ABC drielaags grafeen, of dat het niet relevant is - wat zou duiden op conventionele fononen.

Veel natuurkundigen zijn optimistisch dat het nieuwe platform van Young hen zal helpen erachter te komen hoe elektronen supergeleiden in grafeen. De eigenaardigheden van elk gedraaid grafeenapparaat maakten het zelfs voor een individueel laboratorium onmogelijk om zijn eigen resultaten identiek te repliceren. ABC drielaags grafeen, met zijn perfecte lay-out, overwint die uitdaging.

"Materialen zijn ingewikkeld en ze hebben een manier om tegen ons te liegen," zei Steven Kivelson, een theoretisch fysicus aan de Stanford University. "Het spannende aan deze ontwikkeling" is dat het reproduceerbare materialen belooft, "zodat iedereen hetzelfde antwoord kan krijgen."

Omdat ABC-grafeen een supergeleider en verschillende soorten magneet kan worden, allemaal zonder wendingen of andere voor de hand liggende trucs, suggereert het ook dat een veel breder scala aan vrij gewone materialen over het hoofd gezien magie kan bevatten. Deze materiële veelzijdigheid "kan veel alomtegenwoordiger in het zicht verborgen zijn dan we dachten", zei Young.