Kvanteeffekter kunne hjælpe med at gøre snoet dobbeltlagsgrafen til en superleder

Kvanteeffekter kunne hjælpe med at gøre snoet dobbeltlagsgrafen til en superleder

Tidsstempel: 9. marts 2023 kl. 10:00

Kryostatindsatsen brugt i forsøgene
Måling af tBLG-enheder: kryostatindsatsen brugt i eksperimenterne. (Med høflighed: J Lau)

Kvantegeometri spiller en nøglerolle i at tillade et materiale kendt som twisted bilayer graphene (tBLG) at blive en superleder, ifølge nye eksperimenter fra fysikere ved Den Ohio State University, University of Texas i Dallas, og National Institute for Materials Science i Japan. Fundet indebærer, at de meget anvendte Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) ligninger for superledere skal modificeres for materialer som tBLG, der har meget langsomt bevægende ladninger. Det kan også være med til at give nye vejledende principper i jagten på nye superledere, der fungerer ved højere temperaturer, siger forskerne.

Grafen er en todimensionel krystal af kulstofatomer arrangeret i et bikagemønster. Dette såkaldte "vidundermateriale" kan prale af mange exceptionelle egenskaber, herunder høj elektrisk ledningsevne, da ladningsbærere (elektroner og huller) zoomer gennem kulstofgitteret ved meget høje hastigheder.

I 2018 forskere ledet af Pablo Jarillo-Herrero fra MIT fandt ud af, at når to sådanne ark placeres oven på hinanden med en lille vinkelforskydning, danner de en struktur kendt som et moiré-supergitter. Og når snoningsvinklen mellem dem når den (teoretisk forudsagte) "magiske vinkel" på 1.08°, begynder denne "snoede" dobbeltlagskonfiguration at vise egenskaber såsom superledning under en vis kritisk temperatur, Tc, – det vil sige, at den leder elektricitet uden nogen modstand.

I denne vinkel ændres måden, hvorpå elektroner bevæger sig i de to koblede ark, fordi de nu er tvunget til at organisere sig ved samme energi. Dette fører til "flade" elektroniske bånd, hvor elektrontilstande har nøjagtig den samme energi på trods af at de har forskellige momenta. Denne flade båndstruktur gør elektroner dispersionsløse – det vil sige, at deres kinetiske energi bliver fuldstændig undertrykt, og de kan ikke bevæge sig i moiré-gitteret. Resultatet er, at partiklerne sænker sig næsten til standsning og bliver lokaliseret på bestemte positioner langs de koblede ark.

Et ledningsparadoks

I det nye arbejde har forskerne med anført af Marc Bockrath , Jeanie Lau, viste, at elektroner i tBLG bevæger sig med en hastighed så langsom omkring 700-1200 m/s. Dette kan virke hurtigt i konventionelle termer, men er faktisk en faktor 1000 langsommere end elektronernes hastighed i monolagsgrafen.

"Denne hastighed udgør en iboende hastighed for elektroner i tBLG og dermed også en grænse for, hvor meget strøm materialet kan bære, uanset om det er superledende eller metallisk," forklarer Lau. "Denne langsomme hastighed giver anledning til et paradoks: Hvordan leder tBLG elektricitet, endsige superledning, hvis elektronerne bevæger sig så langsomt?"

"Svaret er kvantegeometri," siger hun.

Almindelig geometri refererer til, hvordan punkter eller objekter er relateret rumligt – for eksempel hvor langt fra hinanden de er, og hvordan de er forbundet. Kvantegeometrien ligner hinanden, men beskriver kvantenaturen af ​​elektroner, som ikke kun er partikler, men også bølger og dermed har bølgefunktioner, og hvordan disse bølgefunktioner forbinder og forbinder hinanden. "Dette bidrag viser sig at være afgørende for at muliggøre superledning," fortæller Bockrath Fysik verden. "I stedet for hurtigt bevægende elektroner er de rige forbindelser af elektronbølgefunktioner vigtige."

De fleste superledere til dato er beskrevet af BCS-teorien (opkaldt efter dens opdagere, Bardeen, Cooper og Schrieffer). Denne teori forklarer, hvorfor de fleste metalliske grundstoffer superleder under deres Tc: deres fermioniske elektroner parrer sig for at skabe bosoner kaldet Cooper-par. Disse bosoner danner et fasekohærent kondensat, der kan strømme gennem materialet som en superstrøm, der ikke oplever spredning, og superledning er en konsekvens af dette.

Teorien kommer dog til kort, når det kommer til at forklare mekanismerne bag højtemperatur-superledere. Faktisk betragtes mekanismen bag høj-temperatur superledning som et af de grundlæggende uløste problemer i fysik.

"Vores resultater viser, at BCS-ligningerne også skal modificeres for superledere som tBLG med meget langsomtgående ladninger," siger Lau. "Vores arbejde kan også give nye vejledende principper i søgen efter nye superledere, der kan fungere ved højere temperaturer end de kendte," tilføjer Bockrath.

Holdet vil nu fortsætte med at undersøge tBLG for at kvantificere og forstå kvantegeometriens rolle i samarbejde med teoretikere.

Forskningen er detaljeret i Natur.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden