2020 års Wolf Prize i fysik för arbete om snedvridet bilager av grafen

Bildtext: Moiré gittret från två grafenlager (blå och svart hexagonalt mönster), som snedvrids en viss vinkel (theta) gentemot varandra, är det större kvasi-periodiska hexagonala mönstret som bildas av område där grafenlagerna är nästan identiska. Vridningsvinkel (theta) avgör periodiciteten av moiré gittret. (Courtesy of ICFO/Xiaobo Lu)

Årets Wolf Prize i fysik tilldelades tre pristagare: professor Pablo Jarillo-Herrero (Spanien/MIT, USA), professor Allan H. Macdonald (University of Texas, Austin, USA) och doktor Rafi Bistritzer (Applied Materials, Israel) för deras nydanande teoretiska och experimentella arbete om snedvridna bilager av grafen (eng. twisted bilayer graphene).

Ända sedan upptäckten av grafen, ett ensamt atomlager av kol, har det funnits ett stort intresse att också studera system med flera lager av grafen eftersom det har visat sig att de elektroniska egenskaperna kan markant ändra sig när grafenlager läggs nära varandra på olika sätt. Speciellt två grafenlager som snedvrids en viss vinkel gentemot varandra har visat sig ge upphov till en kvasi-periodisk struktur karakteriserad av ett moiré mönster, (se figur), med många fascinerande egenskaper. År 2011 presenterade Rafi Bistritzer and Allan MacDonald en teoretisk studie som visade att de kvantmekaniska energinivåerna hos icke-växelverkande elektroner i snedvridet två lager, eller bilager, grafen ger upphov till så kallade moiré energiband. Mest fascinerande var att de fann att vid flera så kallade magiska vridningsvinklar, varav den största är 1.05°, så blir moiré energibanden helt platta och därmed försvinner elektronernas grupphastighet och deras kinetiska energi. Om man i detta system sedan lägger till elektronernas växelverkan, som alltid finns närvarande på grund av deras elektriska laddning, så borde det leda till olika ordnade och korrelerade tillstånd, även om författarna själva först var försiktiga med att spekulera i alla möjligheter.

Först fick dessa teoretiska resultat inte så mycket uppmärksamhet, men 2017-2018 lyckades Pablo Jarillo-Herrero tillsammans med kollegor på MIT experimentellt konstruera ett bilager av grafen med en vridvinkel nära 1,1°. När de sedan kylde ner materialet till 1,7 Kelvin märkte de till sin stora förvåning att det elektriska motståndet försvann helt och hållet: de hade skapat en tvådimensionell supraledare helt gjord av vanliga kolatomer! Supraledaren var dessutom lätt att reglera genom att använda elektriska fält för att kontrollera antalet elektroner i systemet. Deras upptäckt har sedan verifierats av andra grupper och har nu gett upphov till ett nytt forskningsfält som går under namnet twistronics.

Ett snedvridet bilager grafen vid magiska vinklar är i det närmaste ett perfekt system för att undersöka okonventionell supraledning i låga dimensioner eftersom det har en enkel bandstruktur och är enkelt att kontrollera. Upptäckten av supraledning i grafen har också gjutit hopp om att äntligen kunna förstå mekanismen bakom högtemperatursupraledning i kupratoxider eftersom snedvridet bilagergrafen verkar dela många av kupraternas egenskaper. Dessutom har det visat sig att olika starkt korrelerade elektrontillstånd med ovanliga topologiska och magnetiska egenskaper kan skapas i snedvridet bilager grafen. Mekanismerna bakom dessa olika ordnade tillstånd undersöks för närvarande flitigt, samtidigt som nya experimentella framgångar ständigt förbättrar kvalitén av snedvridna bilagergrafensystem vilket öppnar för möjligheter till ännu fler överraskningar i framtiden.

För att läsa mer om 2020 års Wolf Prize i fysik gå till: https://wolffund.org.il/2020/01/13/opop/

Carlo Canali and Annica Black-Schaffer