Pablo Jarillo-Herrero steckt einen Teil seiner Energie in einen morgendlichen Lauf und weicht erschrockenen Fußgängern aus, während er vorbeizieht und allmählich in der Ferne verschwindet. Er würde sich zweifellos noch schneller bewegen, wenn er keinen Sportmantel, keine Hosen und keine Schuhe trug und sich auf einen der vielen sonderbar langen Korridore beschränkte, die den Campus des Massachusetts Institute of Technology durchzogen. Aber was ihm an Ausrüstung und Fahrbahn fehlt, gleicht er entschlossen aus, getrieben von dem Wissen, dass ein voll besetztes Auditorium auf ihn wartet, um das Podium zu erobern.
Jarillo-Herrero war noch nie ein Faulpelz, aber seine Aktivität hat seit seiner dramatischen Ankündigung im März 2018, dass sein Labor am MIT Supraleitung in verdrehtem zweischichtigem Graphen gefunden hatte - einer ein Atom dicken Schicht aus Kohlenstoffkristall, die auf eine andere fiel und dann gedreht, um die beiden Ebenen leicht schief zu lassen.
Die Entdeckung war die größte Überraschung für die Festkörperphysik seit der mit dem Nobelpreis 2004 ausgezeichneten Entdeckung, dass eine intakte Schicht aus Kohlenstoffatomen - Graphen - mit einem Stück Klebeband von einem Graphitblock abgehoben werden konnte. Und es hat ein rasantes Rennen unter Physikern der kondensierten Materie ausgelöst, um die MIT-Ergebnisse zu untersuchen, zu erklären und zu erweitern, die seitdem in mehreren Laboren vervielfältigt wurden.
Die Beobachtung der Supraleitung hat einen unerwarteten Spielplatz für Physiker geschaffen. Die praktischen Ziele liegen auf der Hand: den Weg zur Supraleitung bei höheren Temperaturen aufzuzeigen, neue Gerätetypen zu inspirieren, die die Elektronik revolutionieren könnten, oder vielleicht sogar die Ankunft von Quantencomputern zu beschleunigen. Aber subtiler und vielleicht noch wichtiger ist, dass die Entdeckung Wissenschaftlern eine relativ einfache Plattform für die Erforschung exotischer Quanteneffekte bietet. "Es gibt eine beinahe frustrierende Fülle von Reichtümern für das Studium neuartiger Physik in der Magic-Angle-Plattform", sagte Cory Dean, ein Physiker an der Columbia University, der zu den Ersten gehörte, die diese Forschung kopierten.
Dies alles hat Jarillo-Herrero dazu veranlasst, mit den Anforderungen Schritt zu halten, plötzlich vor einem glühenden Feld zu stehen, das bereits seinen eigenen Namen hat - „Twistronics“. „Wahrscheinlich beginnen mehr als 30 Gruppen damit, daran zu arbeiten, er sagte. „In drei Jahren werden es hundert sein. Das Feld explodiert buchstäblich. “Nun, vielleicht nicht buchstäblich, aber in jeder anderen Hinsicht scheint es. Er ist so überfüllt von Anfragen, seine Techniken zu teilen und Vorträge zu halten, dass die Verdreifachung seines Vortragsplans kaum zu einer Beeinträchtigung des Einladungsflusses geführt hat. Sogar seine Studenten lehnen Redeangebote ab. Bei der Jahresversammlung der American Physical Society im März war nur während seiner Sitzung Platz, sodass eine Menge vor den Türen stand und hoffte, die Gesprächsfetzen zu fangen.
Um die verblüffende Beobachtung herauszufiltern, musste seine Gruppe eine präzise und entmutigende Wendung in den Schichten von fast genau 1, 1 Grad vornehmen. Von diesem „magischen“Winkel wurde lange vermutet, dass er für verdrehtes zweischichtiges Graphen von besonderem Interesse ist. Aber niemand hatte vorhergesagt, dass es so interessant sein würde. "Es wäre verrückt gewesen, die Supraleitung auf der Grundlage unseres Wissens vorherzusagen", sagte Antonio Castro Neto, Physiker an der National University of Singapore. "Aber die Wissenschaft schreitet nicht voran, wenn wir etwas verstehen, sondern wenn im Experiment etwas völlig Unerwartetes passiert."
Unglaublich
Castro Neto würde es wissen. 2007 schlug er vor, dass das Zusammendrücken von zwei fehlausgerichteten Graphenplatten zu einigen neuen Eigenschaften führen könnte. (Er schlug später vor, dass Graphen unter bestimmten Bedingungen möglicherweise supraleitend wird. „Ich habe die beiden Ideen einfach nie zusammengefügt“, sagte er wehmütig.)
Mehrere Gruppen in den USA und Europa untersuchten bald die Eigenschaften von verdrehtem zweischichtigem Graphen, und 2011 forderte Allan MacDonald, ein theoretischer Physiker an der Universität von Texas, Austin, seine Kollegen auf, unter einem bestimmten „magischen Winkel“nach interessantem Verhalten zu suchen. MacDonald hatte sich wie andere Theoretiker darauf konzentriert, wie die Fehlausrichtung der beiden Blätter ein winkelabhängiges Moiré-Muster erzeugt - das heißt ein periodisches Gitter aus relativ großen Zellen, von denen jede aus Tausenden von Graphenkristallzellen in den beiden Blättern besteht. Aber wo andere mit der enormen Komplexität der Berechnung zu kämpfen hatten, wie ein Elektron von den Tausenden von Atomen in einer Moiré-Zelle beeinflusst werden würde, traf MacDonald auf ein vereinfachendes Konzept.
Er ging davon aus, dass die Moiré-Zelle selbst eine Eigenschaft haben würde, die sich streng mit dem Rotationswinkel veränderte, mehr oder weniger unabhängig von den Details der Atome, aus denen sie bestand. Diese Eigenschaft war entscheidend: Die Energiemenge, die ein freies Elektron in der Zelle gewinnen oder abgeben musste, um zwischen den beiden Graphenschichten zu tunneln. Diese Energiedifferenz reichte normalerweise aus, um als Barriere für den Tunnelbau zwischen Schichten zu dienen. MacDonald rechnete jedoch damit, dass die Tunnelnergie mit abnehmendem Drehwinkel schrumpfen und schließlich bei genau 1, 1 Grad ganz verschwinden würde.
Wenn diese Tunnelnergie klein wird, verlangsamen sich die Elektronen in den Schichten und korrelieren stark miteinander. MacDonald wusste nicht genau, was dann passieren würde. Vielleicht würden sich die hochleitfähigen Graphenschichten in Isolatoren verwandeln, vermutete er, oder die Verdrehung würde magnetische Eigenschaften hervorrufen. "Ich hatte ehrlich gesagt nicht die Werkzeuge, um wirklich genau zu sagen, was in einem derart stark korrelierten System passieren würde", sagte MacDonald. "Sicherlich ist Supraleitung das, worauf Sie am meisten hoffen, aber ich hatte nicht den Mut, es vorherzusagen."
MacDonalds Ideen blieben weitgehend unverändert. Als er seine Arbeit zur Veröffentlichung einreichte, hielten die Gutachter seine vereinfachenden Annahmen für unplausibel, und die Arbeit wurde von mehreren Fachzeitschriften abgelehnt, bevor sie in den Proceedings der National Academy of Sciences landete. Dann, nachdem es herauskam, gingen wenige Experimentatoren danach. "Ich war nicht sicher, was wir davon bekommen würden", sagte Dean. "Es fühlte sich wie eine Vermutung an, also haben wir es beiseite gelegt."
Auch Philip Kim, ein Physiker an der Harvard University und eine Art Dekan des experimentellen verdrillten Graphenfeldes, verfolgte den magischen Winkel nur langsam. (Sowohl Dean als auch Jarillo-Herrero waren Postdocs in seinem Labor.) "Ich fand Allans Theorie zu einfach", sagte er. „Und wie die meisten Experimentatoren dachte ich, dass es wahrscheinlich nicht möglich war, den Winkel gut genug zu kontrollieren. Die Leute haben angefangen, das zu vergessen. “Tatsächlich waren Kim, er und viele andere auf dem Gebiet gerade dabei, von verdrehtem zweischichtigem Graphen weiterzugehen, da sie befürchteten, dass andere neuartige Materialien aufregendere Möglichkeiten bieten könnten.
Nicht Jarillo-Herrero. Er arbeitete bereits seit einem Jahr an verdrehtem Doppelschichtgraphen, als MacDonalds Vorhersage im Jahr 2011 veröffentlicht wurde, und er war überzeugt, dass etwas damit zu tun hatte - auch nachdem ein Kollege versucht hatte, ihn als wahrscheinliche Zeitverschwendung davor zu warnen. "Wir versuchen, in diesem Labor abenteuerlustig zu sein, und wir haben einen guten Geruchssinn", sagte Jarillo-Herrero. "Das fühlte sich richtig an."
Er wusste, dass die Herausforderung darin bestehen würde, ein hochreines, sehr homogenes Paar von Graphenplatten zu schaffen, das den natürlichen Widerstand des Materials gegen das Halten eines Winkels von 1, 1 Grad überwindet. Graphenplatten zeigen eine starke Tendenz, sich miteinander auszurichten. Und wenn sie in eine versetzte Position gezwungen werden, neigen die superflexiblen Blätter dazu, sich zu verformen.
Die Gruppe von Jarillo-Herrero hat alle Aspekte des Herstellungsprozesses poliert: von der Erstellung und Reinigung der Bleche über das Ausrichten im richtigen Winkel bis zum Einpressen. Die Messungen mussten in der Nähe von Vakuum durchgeführt werden, um eine Kontamination zu vermeiden, und die Ergebnisse mussten auf wenige Grad des absoluten Nullpunkts abgekühlt werden, um ein korreliertes Elektronenverhalten zu erkennen - bei höheren Temperaturen bewegen sich die Elektronen zu energisch, um ein zu haben Chance, stark zu interagieren.
Das Labor stellte Dutzende von verdrillten zweischichtigen Graphen- "Geräten" her, wie Forscher sie nennen, aber keines von ihnen zeigte signifikante Hinweise auf Elektronenkorrelation. Im Jahr 2014 brachte ihm einer seiner Schüler ein Gerät, das bei Einwirkung eines elektrischen Feldes Anzeichen von deutlich ungraphenartigen Isoliereigenschaften aufwies. Jarillo-Herrero legte das Gerät einfach beiseite und fertigte weitere an. „Unsere Geräte sind kompliziert. Sie können Kanten und andere Fehler haben, die seltsame Ergebnisse liefern, die nichts mit neuer Physik zu tun haben “, erklärt er. „Wenn du einmal etwas Interessantes siehst, beachtest du es nicht. Wenn Sie es wieder sehen, achten Sie darauf."
Im Sommer 2017 brachte der Doktorand Yuan Cao, der bereits im dritten Jahr seines Studiums am MIT im Alter von 21 Jahren war, Jarillo-Herrero ein neues Gerät mit, das ihm Grund zur Aufmerksamkeit gab. Wie zuvor hat ein elektrisches Feld das Gerät in einen Isolator verwandelt. Aber diesmal haben sie versucht, das Feld höher anzukurbeln, und es hat sich plötzlich wieder in einen Supraleiter verwandelt.
Das Labor hat die nächsten sechs Monate damit verbracht, die Ergebnisse zu duplizieren und die Messungen festzuhalten. Die Arbeit wurde unter strenger Geheimhaltung durchgeführt, eine Abkehr von der typisch hochoffenen und kollaborativen Kultur des verdrillten zweischichtigen Graphenfeldes. "Ich hatte keine Möglichkeit zu wissen, wer sonst der Supraleitung nahe kommt", sagte Jarillo-Herrero. „Wir tauschen in diesem Bereich ständig Ideen und Daten aus, sind aber auch sehr wettbewerbsfähig.“
Im Januar 2018 rief er mit einem vorbereiteten Artikel einen Redakteur bei Nature an, erklärte, was er hatte, und machte seine Einreichung davon abhängig, dass die Zeitschrift einem einwöchigen Überprüfungsprozess zustimmte - ein Freund hatte ihm einen der wegweisenden CRISPR-Artikel mitgeteilt diese außergewöhnliche Behandlung erhalten. Das Tagebuch stimmte zu, und die Zeitung durchlief die Eilprüfung.
Jarillo-Herrero schickte eine Vorab-E-Mail an MacDonald, der nicht einmal gewusst hatte, dass Jarillo-Herrero den magischen Winkel hartnäckig verfolgt hatte. "Ich konnte es nicht glauben", sagte MacDonald. "Ich meine, ich fand es wirklich unglaublich." Dean erfuhr es zusammen mit dem Rest der Physikgemeinde auf einer Konferenz im März 2018, genau zu der Zeit, als das Nature-Papier herauskam. "Die Ergebnisse haben mich auf spektakuläre Weise als falsch erwiesen", sagte Dean.
Der perfekte Spielplatz
Physiker sind begeistert von magisch-winkelgedrehtem Doppelschicht-Graphen, nicht weil es wahrscheinlich ein praktischer Supraleiter ist, sondern weil sie davon überzeugt sind, dass es die mysteriösen Eigenschaften der Supraleitung selbst erhellen kann. Zum einen wirkt das Material verdächtig wie ein Cuprat, eine Art exotische Keramik, bei der Supraleitung bei Temperaturen von bis zu etwa 140 Kelvin oder auf halbem Weg zwischen absolutem Nullpunkt und Raumtemperatur auftreten kann. Darüber hinaus deuten die plötzlichen Sprünge in verdrehtem Doppelschichtgraphen - von leitendem zu isolierendem zu supraleitendem - mit nur einer Feinabstimmung eines externen elektrischen Feldes darauf hin, dass freie Elektronen praktisch zum Stillstand kommen, bemerkt der Physiker Dmitri Efetov vom Institut für Photonische Wissenschaften (ICFO)) in Barcelona, Spanien. "Wenn sie aufhören, interagieren die Elektronen umso stärker", sagte er. „Dann können sie sich paaren und ein Superfluid bilden.“Dieser flüssigkeitsähnliche Elektronenzustand wird als Kernmerkmal aller Supraleiter angesehen.
Der Hauptgrund, warum 30 Jahre Cuprate-Forschung das Phänomen relativ wenig beleuchtet haben, ist, dass es sich bei Cupraten um komplexe Mehrelementkristalle handelt. "Es handelt sich um schlecht verstandene Materialien", sagte Efetov und merkte an, dass sie nur dann supraleitend sind, wenn sie bei ihrer anspruchsvollen Herstellung präzise mit Verunreinigungen dotiert wurden, um freie Elektronen hinzuzufügen. Twisted-Bilayer-Graphen ist dagegen nichts anderes als Kohlenstoff, und das „Dotieren“mit mehr Elektronen erfordert lediglich das Anlegen eines leicht veränderlichen elektrischen Feldes. "Wenn es ein System gibt, bei dem wir hoffen können, stark korrelierte Elektronen zu verstehen, dann ist es dieses", sagte Jarillo-Herrero. "Anstatt verschiedene Kristalle züchten zu müssen, drehen wir einfach einen Spannungsknopf oder üben mehr Druck mit den Stempeln aus oder ändern den Drehwinkel." Ein Schüler kann praktisch kostenlos versuchen, das Doping in einer Stunde zu ändern, bemerkt er. Im Vergleich zu den Monaten und Zehntausenden von Dollar, die nötig sein könnten, um ein etwas anderes Doping-Schema für ein Cuprate auszuprobieren.
Einzigartig, so MacDonald, ist auch die geringe Anzahl von Elektronen, die scheinbar das starke Heben von verdrehtem Doppelschicht-Graphen in magischen Winkeln bewirken - etwa eines pro 100.000 Kohlenstoffatome. "Es ist beispiellos, Supraleitung bei einer so geringen Elektronendichte zu sehen", sagte er. "Es ist um mindestens eine Größenordnung niedriger als alles andere, was wir bisher gesehen haben." Auf dem wissenschaftlichen Preprint-Server arxiv.org sind über 100 Artikel erschienen, die Theorien enthalten, mit denen erklärt werden kann, was in magisch-winkelig verdrehtem Doppelschicht-Graphen vor sich geht. Andrei Bernevig, theoretischer Physiker an der Princeton University, nennt es einen „perfekten Spielplatz“für die Erforschung der korrelierten Physik.
Physiker scheinen darauf gespannt zu sein. Rebeca Ribeiro-Palau, Physikerin am Zentrum für Nanowissenschaften und Nanotechnologie in der Nähe von Paris, merkt an, dass die magnetischen, thermischen und optischen Eigenschaften von verdrehtem zweischichtigen Graphen nicht nur auf Knopfdruck zwischen extremen Leitfähigkeiten wechseln können Lassen Sie sich so einfach in exotische Verhaltensweisen einführen, wie es seine elektronischen Eigenschaften können. "Im Prinzip kann man jede Eigenschaft von Materie ein- und ausschalten", sagte sie. MacDonald weist zum Beispiel darauf hin, dass einige der isolierenden Zustände in verdrehtem zweischichtigem Graphen von einem Magnetismus begleitet zu sein scheinen, der sich nicht wie üblich aus den Quantenspinzuständen der Elektronen ergibt, sondern ausschließlich aus ihrem Bahndrehimpuls - a theoretisierte aber nie zuvor beobachtete Art des Magnetismus.
Das kommende Zeitalter der Twistronics
Nachdem Jarillo-Herreros Gruppe nun bewiesen hat, dass magische Winkel eine Sache sind, versuchen die Physiker, den Twistronics-Ansatz auf andere Konfigurationen von Graphen anzuwenden. Kims Gruppe experimentierte mit der Verdrillung zweier Graphen-Doppelschichten und fand bereits Hinweise auf Supraleitung und korrelierte Physik. Andere stapeln drei oder mehr Schichten Graphen in der Hoffnung, die Supraleitung in anderen magischen Winkeln zu erreichen, oder vielleicht sogar, wenn sie ausgerichtet sind. Bernevig geht davon aus, dass Physiker, wenn die Schichten immer höher stapeln, möglicherweise die Supraleitungstemperatur dazu bringen können, mitzusteigen. Möglicherweise spielen auch andere magische Winkel eine Rolle. Einige Gruppen drücken die Blätter enger zusammen, um den magischen Winkel zu vergrößern, was das Erreichen erleichtert, während MacDonald vorschlägt, dass eine noch reichhaltigere Physik bei kleineren, wenn auch viel schwerer zu zielenden magischen Winkeln auftreten könnte.
In der Zwischenzeit kommen andere Materialien in das Twistronics-Bild. Halbleiter und Übergangsmetalle können in verdrillten Schichten abgeschieden werden und gelten als gute Kandidaten für die korrelierte Physik - vielleicht besser als verdrilltes Doppelschichtgraphen. "Die Leute denken an Hunderte von Materialien, die auf diese Weise manipuliert werden können", sagte Efetov. "Die Büchse der Pandora wurde geöffnet."
Dean und Efetov sind unter denen, die an der klassischen Twistronik festhalten, in der Hoffnung, korrelierte Effekte bei verdrillten Doppelschicht-Graphen-Vorrichtungen mit magischem Winkel zu verstärken, indem sie die Falten in ihrer Herstellung buchstäblich glätten. Weil es keine chemische Bindung zwischen den beiden Schichten gibt und weil die leicht versetzten Schichten versuchen, sich auszurichten, werden Spannungen erzeugt, die zu submikroskopischen Hügeln, Tälern und Biegungen führen. Diese lokalen Verzerrungen bedeuten, dass sich einige Bereiche des Geräts möglicherweise im magischen Bereich der Verdrehwinkel befinden, andere nicht. "Ich habe versucht, die Kanten der Schichten zu verkleben, aber es gibt immer noch lokale Unterschiede", beklagte er sich. „Jetzt versuche ich, Wege zu finden, um die anfängliche Dehnung beim Zusammenpressen der Schichten zu minimieren.“Efetov hat kürzlich über Fortschritte in diesem Bereich berichtet, und die Ergebnisse haben sich bereits in neuen supraleitenden Zuständen bei Temperaturen von etwa 3 Grad ausgezahlt Kelvin oder doppelt so hoch wie zuvor beobachtet.
Jarillo-Herrero hat sich auf atemberaubende Weise weit in die Spitze des verdrehten Zweischicht-Graphenfeldes vorgerückt und wartet nicht darauf, dass andere ihn einholen. Das Hauptaugenmerk seines Labors liegt weiterhin auf dem Versuch, aus verdrehtem Doppelschicht-Graphen immer exotischere Verhaltensweisen zu entwickeln. Dabei nutzt er die Tatsache, dass er durch langes Ausprobieren seine Ausbeute an supraleitenden Proben auf fast 50 Prozent gesteigert hat. Die meisten anderen Gruppen kämpfen mit Erträgen von einem Zehntel oder weniger. Angesichts der Tatsache, dass die Herstellung und Prüfung eines Geräts etwa zwei Wochen dauert, ist dies ein enormer Produktivitätsvorteil. "Wir glauben, dass wir gerade erst anfangen, all die faszinierenden Zustände zu sehen, die aus diesen magischen Winkel-Graphen-Systemen hervorgehen werden", sagte er. "Es gibt einen riesigen Phasenraum zu erkunden." Aber um seine Grundlagen zu decken, hat er sein Labor in die Erforschung von Twistronics in anderen Materialien gesteckt.
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Der WIRED-Leitfaden für Quantum Computing
Die Einsätze im Wettlauf um einfachere, leistungsfähigere Hochtemperatur-Supraleiter sind immens. Abgesehen von der vielbeschworenen Vision, Züge schweben zu lassen, würde die Reduzierung des Energieverlusts bei der Stromübertragung die Volkswirtschaften ankurbeln und die Schadstoffemissionen auf der ganzen Welt drastisch senken. Die Herstellung von Qubit könnte plötzlich praktisch werden und möglicherweise den Aufstieg von Quantencomputern einleiten. Selbst ohne Supraleitung könnten gewöhnliche Computer und andere Elektronik einen enormen Anstieg der Leistung im Vergleich zu den Kosten durch Twistronics erzielen, da ganze komplexe elektronische Schaltkreise theoretisch in ein paar Schichten aus reinem Kohlenstoff eingebaut werden könnten, ohne dass ein Dutzend oder mehr erforderlich wäre Geätzte Schichten anspruchsvoller Materialien, wie sie heutzutage bei Chips üblich sind. "Man könnte wild unterschiedliche Eigenschaften von Materie in diese Schaltkreise direkt nebeneinander integrieren und sie mit lokalen elektrischen Feldern variieren", sagte Dean. „Ich kann keine Worte finden, um zu beschreiben, wie tief das ist. Ich würde etwas erfinden müssen. Vielleicht dynamische Werkstofftechnik?"
