Kvantefektid võivad aidata muuta keerdunud kahekihilisest grafeenist ülijuhi

Kvantgeomeetria mängib võtmerolli keerutatud kahekihilise grafeeni (tBLG) nime all tuntud materjalil ülijuhiks muutumise võimaldamisel, selgub füüsikute uutest katsetest. Ohio State University, Texase Ülikool DallasisJa Riiklik Materjaliteaduse Instituut Jaapanis. See leid viitab sellele, et ülijuhtide jaoks laialdaselt kasutatavaid Bardeen-Cooper-Schriefferi (BCS) võrrandeid tuleb muuta selliste materjalide jaoks nagu tBLG, millel on väga aeglaselt liikuvad laengud. Teadlaste sõnul võib see aidata pakkuda uusi juhtpõhimõtteid uute kõrgematel temperatuuridel töötavate ülijuhtide otsimisel.

Grafeen on kahemõõtmeline süsinikuaatomite kristall, mis on paigutatud kärjekujuliselt. Sellel nn imematerjalil on palju erakordseid omadusi, sealhulgas kõrge elektrijuhtivus, kuna laengukandjad (elektronid ja augud) suumivad läbi süsinikvõre väga suurel kiirusel.

2018. aastal juhtisid teadlased Pablo Jarillo-Herrero MIT leidis, et kui kaks sellist lehte asetatakse üksteise peale väikese nurga kõrvalekaldega, moodustavad need struktuuri, mida nimetatakse muaree supervõreks. Ja kui nendevaheline pöördenurk saavutab (teoreetiliselt ennustatud) "maagilise nurga" 1.08°, hakkab see "keerdunud" kahekihiline konfiguratsioon näitama selliseid omadusi nagu ülijuhtivus alla teatud kriitilise temperatuuri. T_c, – see tähendab, et see juhib elektrit ilma igasuguse takistuseta.

Selle nurga all muutub elektronide liikumisviis kahel sidestatud lehel, kuna nad on nüüd sunnitud organiseerima end sama energiaga. See toob kaasa "tasapinnalised" elektroonilised ribad, milles elektronide olekutel on erinevast momendist hoolimata täpselt sama energia. Selline lame riba struktuur muudab elektronid dispersioonivabaks – see tähendab, et nende kineetiline energia surutakse täielikult alla ja nad ei saa muareevõres liikuda. Tulemuseks on see, et osakesed aeglustuvad peaaegu seiskumiseni ja lokaliseeruvad teatud kohtades piki ühendatud lehti.

Juhtivuse paradoks

Uues töös on teadlased eesotsas Marc Bockrath ja Jeanie Lau, näitas, et tBLG-s liiguvad elektronid sama aeglaselt, umbes 700–1200 m/s. Tavapäraselt võib see tunduda kiire, kuid tegelikult on see 1000 korda aeglasem kui elektronide kiirus ühekihilises grafeenis.

"See kiirus kujutab endast tBLG-s elektronide sisemist kiirust ja seega ka piiri, kui palju voolu võib materjal kanda, olgu see ülijuhtiv või metalliline, " selgitab Lau. "See aeglane kiirus põhjustab paradoksi: kuidas tBLG juhib elektrit, rääkimata ülijuhtimisest, kui elektronid liiguvad nii aeglaselt?"

"Vastus on kvantgeomeetria, " ütleb ta.

Tavaline geomeetria viitab sellele, kuidas punktid või objektid on ruumiliselt seotud – näiteks kui kaugel need on üksteisest ja kuidas need on ühendatud. Kvantgeomeetria on sarnane, kuid kirjeldab elektronide kvant-olemust, mis ei ole ainult osakesed, vaid ka lained ja seega on neil lainefunktsioonid, ning seda, kuidas need lainefunktsioonid ühenduvad ja omavahel seovad. "See panus osutub ülijuhtivuse võimaldamisel kriitiliseks, " ütleb Bockrath Füüsika maailm. "Kiire liikuvate elektronide asemel on olulised elektronlainefunktsioonide rikkad ühendused."

Enamikku seniseid ülijuhte kirjeldab BCS-teooria (nimetatud selle avastajate Bardeeni, Cooperi ja Schriefferi järgi). See teooria selgitab, miks enamik metallilisi elemente ülijuhtivad allpool oma T_c: nende fermioonsed elektronid paarituvad, et luua bosoneid, mida nimetatakse Cooperi paarideks. Need bosonid moodustavad faasikoherentse kondensaadi, mis võib voolata läbi materjali ülivooluna, mis ei koge hajumist, ja ülijuhtivus on selle tagajärg.

Lühikesed elektriimpulsid lülitavad maagilise nurga grafeeni ülijuhtivuse sisse ja välja

Kõrge temperatuuriga ülijuhtide taga olevate mehhanismide selgitamisel jääb teooria siiski alla. Tõepoolest, kõrgel temperatuuril ülijuhtivuse aluseks olevat mehhanismi peetakse üheks põhiliseks lahendamata probleemiks füüsikas.

"Meie tulemused näitavad, et BCS-i võrrandeid tuleb muuta ka ülijuhtide jaoks, nagu tBLG, millel on väga aeglaselt liikuvad laengud, " ütleb Lau. "Meie töö võib pakkuda ka uusi juhtpõhimõtteid uute ülijuhtide otsimisel, mis võivad töötada kõrgematel temperatuuridel kui teadaolevad," lisab Bockrath.

Meeskond jätkab nüüd tBLG uurimist, et kvantgeomeetria rolli kvantifitseerida ja mõista koostöös teoreetikutega.

Uuring on üksikasjalikult kirjeldatud loodus.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-could-help-make-twisted-bilayer-graphene-a-superconductor/