اثرات کوانتومی می تواند به تبدیل گرافن دولایه پیچ خورده به ابررسانا کمک کند

بر اساس آزمایشات جدید فیزیکدانان، هندسه کوانتومی نقش کلیدی در اجازه دادن به ماده ای به نام گرافن دولایه پیچ خورده (tBLG) دارد تا به ابررسانا تبدیل شود. دانشگاه ایالتی اوهایو, دانشگاه تگزاس در دالاس، و موسسه ملی علوم مواد در ژاپن. این یافته حاکی از آن است که معادلات باردین-کوپر-شریفر (BCS) به طور گسترده برای ابررساناها باید برای موادی مانند tBLG که بارهای بسیار کند حرکت دارند اصلاح شوند. به گفته محققان، این ممکن است به ارائه اصول راهنمایی جدید در جستجوی ابررساناهای جدید که در دماهای بالاتر عمل می کنند کمک کند.

گرافن یک کریستال دو بعدی از اتم‌های کربن است که در یک الگوی لانه زنبوری قرار گرفته‌اند. این به اصطلاح "مواد شگفت انگیز" دارای ویژگی های استثنایی بسیاری است، از جمله رسانایی الکتریکی بالا به عنوان حامل های بار (الکترون ها و سوراخ ها) که از شبکه کربنی با سرعت های بسیار بالا زوم می کنند.

در سال 2018 محققان به رهبری پابلو جاریو-هررو MIT دریافت که وقتی دو صفحه از این قبیل با یک ناهماهنگی کوچک روی هم قرار می گیرند، ساختاری را تشکیل می دهند که به عنوان ابرشبکه moiré شناخته می شود. و هنگامی که زاویه پیچ بین آنها به "زاویه جادویی" (از لحاظ نظری پیش بینی شده) 1.08 درجه می رسد، این پیکربندی دو لایه "پیچ خورده" شروع به نشان دادن ویژگی هایی مانند ابررسانایی در زیر یک دمای بحرانی خاص می کند. T_c, – یعنی برق را بدون هیچ مقاومتی هدایت می کند.

در این زاویه، نحوه حرکت الکترون ها در دو صفحه جفت شده تغییر می کند، زیرا اکنون مجبور هستند خود را با همان انرژی سازماندهی کنند. این منجر به باندهای الکترونیکی «مسطح» می‌شود که در آن حالت‌های الکترونی علی‌رغم داشتن لحظه‌ای متفاوت، دقیقاً انرژی یکسانی دارند. این ساختار نواری مسطح باعث می‌شود الکترون‌ها پراکنده نباشند - یعنی انرژی جنبشی آنها کاملاً سرکوب می‌شود و نمی‌توانند در شبکه موآر حرکت کنند. نتیجه این است که ذرات تقریباً تا حد توقف کند می شوند و در موقعیت های خاصی در امتداد صفحات جفت شده موضعی می شوند.

یک پارادوکس هدایت

در کار جدید، محققان به رهبری مارک باکرات و جین لاونشان داد که الکترون‌ها در tBLG با سرعتی آهسته در حدود 700 تا 1200 متر بر ثانیه حرکت می‌کنند. این ممکن است در شرایط متعارف سریع به نظر برسد، اما در واقع یک ضریب 1000 کندتر از سرعت الکترون ها در گرافن تک لایه است.

لاو توضیح می‌دهد: «این سرعت یک سرعت ذاتی برای الکترون‌ها در tBLG است و از این رو محدودیتی برای میزان جریانی که ماده می‌تواند حمل کند، خواه ابررسانا یا فلز باشد، تشکیل می‌دهد. این سرعت آهسته منجر به یک پارادوکس می‌شود: اگر الکترون‌ها اینقدر آهسته حرکت کنند، tBLG چگونه الکتریسیته را هدایت می‌کند، چه برسد به ابررسانایی؟

او می گوید: «پاسخ هندسه کوانتومی است.

هندسه معمولی به چگونگی ارتباط نقاط یا اشیاء از نظر مکانی اشاره دارد - به عنوان مثال، فاصله آنها از یکدیگر و نحوه اتصال آنها. هندسه کوانتومی مشابه است، اما ماهیت کوانتومی الکترون ها را توصیف می کند، که نه تنها ذرات هستند، بلکه امواج نیز هستند، و بنابراین دارای تابع موج هستند، و چگونگی اتصال و پیوند این توابع موج را توصیف می کند. بوکرات می گوید: «این کمک برای فعال کردن ابررسانایی حیاتی است دنیای فیزیک. به جای الکترون‌های با حرکت سریع، اتصالات غنی توابع موج الکترونی مهم هستند.

اکثر ابررساناها تا به امروز توسط نظریه BCS (به نام کاشفان آن، باردین، کوپر و شریفر) توصیف شده اند. این نظریه توضیح می دهد که چرا اکثر عناصر فلزی در زیر خود ابررسانا هستند T_c: الکترون های فرمیونی آنها با هم جفت می شوند و بوزون هایی به نام جفت کوپر ایجاد می کنند. این بوزون‌ها یک میعان فاز منسجم را تشکیل می‌دهند که می‌تواند به صورت ابر جریانی که پراکندگی را تجربه نمی‌کند، از درون ماده عبور کند و ابررسانایی نتیجه این است.

پالس های الکتریکی کوتاه، ابررسانایی را در گرافن با زاویه جادویی روشن و خاموش می کنند

با این حال، وقتی نوبت به توضیح مکانیسم‌های پشت ابررساناهای با دمای بالا می‌رسد، این نظریه کوتاه است. در واقع، مکانیسم زیربنای ابررسانایی در دمای بالا به عنوان یکی از مسائل اساسی حل نشده در فیزیک در نظر گرفته می شود.

لاو می گوید: «نتایج ما نشان می دهد که معادلات BCS برای ابررساناهایی مانند tBLG با بارهای بسیار آهسته باید اصلاح شود. بوکرات می افزاید: «کار ما همچنین ممکن است اصول راهنما جدیدی را در جستجوی ابررساناهای جدید ارائه دهد که می توانند در دماهای بالاتر از موارد شناخته شده کار کنند.

این تیم اکنون به بررسی tBLG برای تعیین کمیت و درک نقش هندسه کوانتومی با همکاری نظریه پردازان ادامه خواهد داد.

تحقیق به تفصیل در طبیعت.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• پلاتوبلاک چین. Web3 Metaverse Intelligence. دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-could-help-make-twisted-bilayer-graphene-a-superconductor/