Di laboratorium Universitas Cornell, para ilmuwan secara tak sengaja menemukan material yang berperilaku seolah-olah di dalamnya dua dunia elektron yang berlawanan hidup berdampingan. Yang dimaksud adalah grafena enam lapis rombohedral — enam lembar karbon yang ditumpuk dengan pergeseran dalam pola berulang. Alih-alih meneliti lapisan yang dipilin, para peneliti memperoleh tumpukan rata, dan justru tumpukan itulah yang mengungkap fase-fase kuantum yang tak terduga.
Grafena sejak lama dikenal karena kekuatan dan konduktivitasnya, tetapi ketika lapisan-lapisannya ditumpuk dengan cara tertentu, elektron-elektron mulai saling berinteraksi jauh lebih kuat. Pada versi enam lapis, pada kerapatan pembawa muatan dan medan listrik luar tertentu, muncul rezim tempat elektron dan lubang hidup berdampingan dan berkorelasi kuat. Ini mirip dengan kerumunan orang, di mana setiap orang memengaruhi gerak tetangganya, bukan sekadar berjalan menuju urusannya sendiri.
Pengukuran menunjukkan hilangnya hambatan listrik — tanda superkonduktivitas — dan efek Hall anomali yang menandakan magnetisme orbital. Dua keadaan superkonduktor muncul tepat di tempat elektron dan lubang saling bersilangan. Tampaknya interaksi keduanya memainkan peran kunci dalam pembentukan fase-fase ini, yang tidak teramati pada grafena lima lapis.
Perangkat ditempatkan di antara lapisan boron nitrida dan dikendalikan melalui medan gerbang. Dengan mengubah suhu, medan magnet, dan konsentrasi pembawa, tim menyusun diagram fase yang terperinci. Di dalamnya terlihat jelas isolator yang disebabkan oleh interaksi, daerah superkonduktivitas, dan dua jenis magnetisme orbital. Hasilnya diterbitkan di Nature Physics.
Penemuan ini penting bukan hanya bagi fisika fundamental. Pemahaman tentang bagaimana interaksi elektron dan lubang memunculkan superkonduktivitas tanpa mekanisme tradisional dapat mendekatkan terciptanya material yang bekerja pada suhu lebih tinggi. Material semacam itu akan berguna dalam komputer kuantum, saluran transmisi hemat energi, dan sensor baru.
Saat ini para peneliti menyelami lebih dalam sifat magnetisme orbital. Mereka menguji hipotesis bahwa sebagian pembawa membentuk struktur mirip kristal, sementara sisanya tetap dalam keadaan mirip cairan. Pertanyaan-pertanyaan ini melampaui cakupan penelitian saat ini, tetapi kini sudah jelas: grafena enam lapis telah menjadi arena baru untuk mempelajari korelasi kuantum.
Penemuan yang tak sengaja ini sekali lagi mengingatkan bahwa dalam dunia material dua dimensi, cukup mengubah jumlah lapisan atau susunan timbal baliknya — dan sifat-sifat yang biasa berubah menjadi sesuatu yang sama sekali baru.
