Τα κβαντικά εφέ θα μπορούσαν να βοηθήσουν στο να γίνει το στριμμένο διπλό στρώμα γραφένιο υπεραγωγό

Τα κβαντικά εφέ θα μπορούσαν να βοηθήσουν στο να γίνει το στριμμένο διπλό στρώμα γραφένιο υπεραγωγό

Χρονική σήμανση: 9 Μαρτίου 2023 10:00 π.μ.

Το ένθετο κρυοστάτη που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα
Μέτρηση συσκευών tBLG: το ένθετο κρυοστάτη που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα. (Ευγενική προσφορά: J Lau)

Η κβαντική γεωμετρία παίζει βασικό ρόλο στο να επιτρέψει σε ένα υλικό που είναι γνωστό ως συνεστραμμένο διπλοστιβαδικό γραφένιο (tBLG) να γίνει υπεραγωγός, σύμφωνα με νέα πειράματα φυσικών στο Το Ohio State University, Το Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ντάλας, και το Εθνικό Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών στην Ιαπωνία. Το εύρημα υποδηλώνει ότι οι ευρέως χρησιμοποιούμενες εξισώσεις Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) για υπεραγωγούς πρέπει να τροποποιηθούν για υλικά όπως το tBLG που έχουν πολύ αργά κινούμενα φορτία. Μπορεί επίσης να βοηθήσει στην παροχή νέων κατευθυντήριων αρχών στην αναζήτηση νέων υπεραγωγών που λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες, λένε οι ερευνητές.

Το γραφένιο είναι ένας δισδιάστατος κρύσταλλος ατόμων άνθρακα που είναι διατεταγμένοι σε σχήμα κηρήθρας. Αυτό το αποκαλούμενο «θαυματουργό υλικό» διαθέτει πολλές εξαιρετικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητας καθώς οι φορείς φορτίου (ηλεκτρόνια και οπές) μεγεθύνουν το πλέγμα άνθρακα σε πολύ υψηλές ταχύτητες.

Το 2018 ερευνητές με επικεφαλής τον Πάμπλο Γιάριλο-Ερρέρο του MIT διαπίστωσε ότι όταν δύο τέτοια φύλλα τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο με μια μικρή κακή ευθυγράμμιση γωνίας, σχηματίζουν μια δομή γνωστή ως υπερδικτυωτό πλέγμα moiré. Και όταν η γωνία συστροφής μεταξύ τους φτάσει στη (θεωρητικά προβλεπόμενη) «μαγική γωνία» των 1.08°, αυτή η «στριμμένη» διαμόρφωση διπλής στιβάδας αρχίζει να δείχνει ιδιότητες όπως η υπεραγωγιμότητα κάτω από μια ορισμένη κρίσιμη θερμοκρασία, Tc, – δηλαδή άγει ηλεκτρισμό χωρίς καμία αντίσταση.

Σε αυτή τη γωνία, ο τρόπος με τον οποίο τα ηλεκτρόνια κινούνται στα δύο συζευγμένα φύλλα αλλάζει επειδή τώρα αναγκάζονται να οργανωθούν στην ίδια ενέργεια. Αυτό οδηγεί σε «επίπεδες» ηλεκτρονικές ζώνες, στις οποίες οι καταστάσεις ηλεκτρονίων έχουν ακριβώς την ίδια ενέργεια παρά το γεγονός ότι έχουν διαφορετική ροπή. Αυτή η δομή επίπεδης ζώνης καθιστά τα ηλεκτρόνια χωρίς διασπορά – δηλαδή, η κινητική τους ενέργεια καταστέλλεται πλήρως και δεν μπορούν να κινηθούν στο πλέγμα moiré. Το αποτέλεσμα είναι ότι τα σωματίδια επιβραδύνουν σχεδόν μέχρι να σταματήσουν και εντοπίζονται σε συγκεκριμένες θέσεις κατά μήκος των συζευγμένων φύλλων.

Ένα παράδοξο αγωγιμότητας

Στη νέα εργασία, οι ερευνητές, με επικεφαλής Μαρκ Μπόκραθ και Jeanie Lau, έδειξε ότι τα ηλεκτρόνια στο tBLG κινούνται με ταχύτητα τόσο αργή γύρω στα 700–1200 m/s. Αυτό μπορεί να φαίνεται γρήγορο με συμβατικούς όρους, αλλά στην πραγματικότητα είναι ένας παράγοντας 1000 μικρότερος από την ταχύτητα των ηλεκτρονίων στο μονοστιβαδικό γραφένιο.

«Αυτή η ταχύτητα αποτελεί μια εγγενή ταχύτητα για τα ηλεκτρόνια στο tBLG και ως εκ τούτου επίσης ένα όριο στο πόσο ρεύμα μπορεί να μεταφέρει το υλικό, είτε είναι υπεραγώγιμο είτε μεταλλικό», εξηγεί ο Lau. «Αυτή η αργή ταχύτητα προκαλεί ένα παράδοξο: πώς το tBLG άγει ηλεκτρισμό, πόσο μάλλον υπεραγωγό, αν τα ηλεκτρόνια κινούνται τόσο αργά;»

«Η απάντηση είναι η κβαντική γεωμετρία», λέει.

Η συνηθισμένη γεωμετρία αναφέρεται στο πώς τα σημεία ή τα αντικείμενα συνδέονται χωρικά – για παράδειγμα, πόσο μακριά είναι μεταξύ τους και πώς συνδέονται. Η κβαντική γεωμετρία είναι παρόμοια, αλλά περιγράφει την κβαντική φύση των ηλεκτρονίων, τα οποία δεν είναι μόνο σωματίδια αλλά και κύματα, και επομένως έχουν κυματοσυναρτήσεις, και πώς αυτές οι κυματοσυναρτήσεις συνδέονται και αλληλοσυνδέονται. «Αυτή η συνεισφορά αποδεικνύεται κρίσιμη για να ενεργοποιηθεί η υπεραγωγιμότητα», λέει ο Bockrath Κόσμος Φυσικής. «Αντί για ταχέως κινούμενα ηλεκτρόνια, οι πλούσιες συνδέσεις των κυματοσυναρτήσεων ηλεκτρονίων είναι σημαντικές».

Οι περισσότεροι υπεραγωγοί μέχρι σήμερα περιγράφονται από τη θεωρία BCS (που πήρε το όνομά της από τους ανακαλυπτές της, Bardeen, Cooper και Schrieffer). Αυτή η θεωρία εξηγεί γιατί τα περισσότερα μεταλλικά στοιχεία υπεραγωγούνται κάτω από αυτά Tc: Τα φερμιονικά ηλεκτρόνια τους ζευγαρώνουν για να δημιουργήσουν μποζόνια που ονομάζονται ζεύγη Cooper. Αυτά τα μποζόνια σχηματίζουν ένα συμπύκνωμα με συνοχή φάσης που μπορεί να ρέει μέσα από το υλικό ως υπερρέμα που δεν υφίσταται σκέδαση και η υπεραγωγιμότητα είναι συνέπεια αυτού.

Η θεωρία υστερεί, ωστόσο, όσον αφορά την εξήγηση των μηχανισμών πίσω από τους υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας. Πράγματι, ο μηχανισμός που βρίσκεται κάτω από την υπεραγωγιμότητα σε υψηλή θερμοκρασία θεωρείται ως ένα από τα θεμελιώδη άλυτα προβλήματα στη φυσική.

«Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι οι εξισώσεις BCS πρέπει επίσης να τροποποιηθούν για υπεραγωγούς όπως το tBLG με πολύ αργά φορτία», λέει ο Lau. «Η δουλειά μας μπορεί επίσης να παρέχει νέες κατευθυντήριες αρχές στην αναζήτηση νέων υπεραγωγών που μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες από τις γνωστές», προσθέτει ο Bockrath.

Η ομάδα θα συνεχίσει τώρα να ερευνά το tBLG για να ποσοτικοποιήσει και να κατανοήσει τον ρόλο της κβαντικής γεωμετρίας σε συνεργασία με θεωρητικούς.

Η έρευνα αναλύεται στο Φύση.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής