Wspólny mianownik łączący te z pozoru odmienne zjawiska przybliża fizyków do zrozumienia fundamentalnych mechanizmów korelacji elektronowych, a najnowsze wyniki badań zespołu z UW, opublikowane na łamach prestiżowego czasopisma Science, wskazują drogę do precyzyjnego kontrolowania tych faz w pojedynczym materiale laboratoryjnym.
W tradycyjnej praktyce laboratoryjnej tworzenie struktur z tzw. wzorem mory (moiré pattern) – uzyskiwanym poprzez precyzyjne nakładanie na siebie jednoatomowych warstw materiału za pomocą miniaturowych manipulatorów robotycznych i obracanie ich względem siebie pod ściśle określonym kątem – wiąże się ze znacznymi trudnościami technicznymi. Zamiast idealnych geometrii znanych z modeli teoretycznych, cienkie płatki podlegają niekontrolowanym pofałdowaniom, skręceniom i lokalnym deformacjom, które wprowadzają chaos do pomiarów transportu elektronowego.
Aby rozwiązać ten problem, prof. Jiun-Haw Chu oraz prof. Matthew Yankowitz osadzili dwuwymiarową strukturę na specjalnym podłożu piezoelektrycznym, które rozszerza się i kurczy pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego. Taki układ pozwolił na w pełni kontrolowaną aplikację naprężeń rozciągających i ściskających bezpośrednio na badaną siatkę atomową.
Czytaj także: Grafen z ołówka zaczął robić rzeczy, których fizycy nie potrafią jeszcze wyjaśnić
Efekt dynamicznej zmiany naprężenia okazał się spektakularny: poprzez samą mechaniczną modulację geometrii sieci opór elektryczny materiału zmienił się ponad stokrotnie w porównaniu ze stanem zwykłego metalu, a reakcja ta ulegała dalszemu wzmocnieniu po schłodzeniu układu do temperatur kriogenicznych. Dzięki temu naprężenie stało się zupełnie nowym, obok temperatury, zewnętrznego pola elektrycznego i indukcji magnetycznej, parametrem kontrolnym pozwalającym na płynne strojenie faz kwantowych.
Jak wyjaśnia Yankowitz, możliwość precyzyjnego kręcenia tymi fizycznymi „pokrętłami” umożliwia przewidywalne i w pełni powtarzalne przeprowadzanie pojedynczej próbki przez pełne spektrum stanów materii – od przewodnika metalicznego, przez izolator, aż po fazę nadprzewodzącą, w której prąd płynie bez jakichkolwiek strat omowych.
Osiągnięcie to stanowi rozwinięcie przełomu z 2018 roku, kiedy naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) wykazali, że skręcenie dwóch warstw grafenu o tzw. magiczny kąt 1,1 stopnia i schłodzenie ich w pobliże zera bezwzględnego indukuje stan nadprzewodnictwa. Choć późniejsze eksperymenty przeniosły tę koncepcję na inne pierwiastki i materiały dwuwymiarowe, dopiero wdrożenie zewnętrznej kontroli naprężeń pozwoliło stworzyć pojedynczy układ scalony, który może zastąpić całą rodzinę odrębnych materiałów w badaniach nad zjawiskami kwantowymi.
Obecnie zespół z Waszyngtonu pracuje nad uproszczeniem architektury pomiarowej, aby umożliwić innym ośrodkom badawczym łatwe powtórzenie procedury na innych strukturach wielowarstwowych, co może przyspieszyć rozwój nowej generacji sensorów kwantowych, procesorów obliczeniowych oraz bezstratnych linii przesyłowych energii.
