Kvanttiefektit voivat auttaa tekemään kierretystä kaksikerroksisesta grafeenista suprajohteen

Fyysikkojen uusien kokeiden mukaan kvanttigeometrialla on keskeinen rooli kierrettynä kaksikerroksisena grafeenina (tBLG) tunnetun materiaalin mahdollistamisessa suprajohteeksi. Ohio State University, Texasin yliopisto Dallasissa, ja Kansallinen materiaalitutkimuslaitos Japanissa. Havainto viittaa siihen, että laajalti käytettyjä Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) -yhtälöitä suprajohtimille on muutettava materiaaleille, kuten tBLG, joilla on erittäin hitaasti liikkuvia varauksia. Se voi myös auttaa tarjoamaan uusia ohjaavia periaatteita uusien korkeammissa lämpötiloissa toimivien suprajohteiden etsimisessä, tutkijat sanovat.

Grafeeni on kaksiulotteinen hiiliatomien kide, joka on järjestetty hunajakennomuotoon. Tällä niin kutsutulla "ihmemateriaalilla" on monia poikkeuksellisia ominaisuuksia, mukaan lukien korkea sähkönjohtavuus, kun varauksenkantajat (elektronit ja reiät) zoomaavat hiilihilan läpi erittäin suurilla nopeuksilla.

Vuonna 2018 tutkijat johtivat Pablo Jarillo-Herrero MIT:n tutkijat havaitsivat, että kun kaksi tällaista arkkia asetetaan päällekkäin pienellä kulmavirheellä, ne muodostavat rakenteen, joka tunnetaan nimellä moiré superhila. Ja kun niiden välinen kiertymiskulma saavuttaa (teoreettisesti ennustetun) "maagisen kulman" 1.08°, tämä "kierretty" kaksikerroksinen konfiguraatio alkaa näyttää ominaisuuksia, kuten suprajohtavuus tietyn kriittisen lämpötilan alapuolella, T_c, – eli se johtaa sähköä ilman vastusta.

Tässä kulmassa tapa, jolla elektronit liikkuvat kahdessa kytketyssä levyssä, muuttuu, koska ne on nyt pakotettu järjestäytymään samalla energialla. Tämä johtaa "litteisiin" elektronisiin vyöhykkeisiin, joissa elektronitiloilla on täsmälleen sama energia huolimatta eri momenteista. Tämä litteä kaistarakenne tekee elektroneista dispergoitumattomia – eli niiden kineettinen energia vaimenee kokonaan eivätkä ne pääse liikkumaan moiré-hilassa. Tuloksena on, että hiukkaset hidastuvat lähes pysähtymään ja lokalisoituvat tiettyihin kohtiin kytkettyjä levyjä pitkin.

Johtumisparadoksi

Uudessa työssä tutkijat johtivat Marc Bockrath ja Jeanie Lau, osoitti, että tBLG:n elektronit liikkuvat yhtä hitaasti noin 700–1200 m/s. Tämä saattaa tuntua nopealta tavanomaisin termein, mutta on itse asiassa kertoimella 1000 hitaampi kuin elektronien nopeus yksikerroksisessa grafeenissa.

"Tämä nopeus muodostaa tBLG:n elektronien ominaisnopeuden ja siten myös rajan sille, kuinka paljon virtaa materiaali voi kuljettaa, olipa se suprajohtavaa tai metallista", Lau selittää. "Tämä hidas nopeus synnyttää paradoksin: kuinka tBLG johtaa sähköä, puhumattakaan suprajohtamisesta, jos elektronit liikkuvat niin hitaasti?"

"Vastaus on kvanttigeometria", hän sanoo.

Tavallinen geometria viittaa siihen, kuinka pisteet tai objektit liittyvät toisiinsa – esimerkiksi kuinka kaukana ne ovat toisistaan ​​ja miten ne liittyvät toisiinsa. Kvanttigeometria on samanlainen, mutta se kuvaa elektronien kvanttiluonnetta, jotka eivät ole vain hiukkasia vaan myös aaltoja ja joilla on siten aaltofunktioita, ja kuinka nämä aaltofunktiot liittyvät toisiinsa ja linkittyvät toisiinsa. "Tämä panos osoittautuu kriittiseksi suprajohtavuuden mahdollistamiseksi", Bockrath kertoo Fysiikan maailma. "Nopeasti liikkuvien elektronien sijaan elektroniaaltofunktioiden rikkaat yhteydet ovat tärkeitä."

Suurin osa suprajohteista on kuvattu BCS-teorialla (nimetty sen löytäjien Bardeenin, Cooperin ja Schriefferin mukaan). Tämä teoria selittää, miksi useimmat metalliset elementit johtavat niiden alapuolelle T_c: niiden fermioniset elektronit pariutuvat muodostaen bosoneja, joita kutsutaan Cooper-pareiksi. Nämä bosonit muodostavat faasikoherentin kondensaatin, joka voi virrata materiaalin läpi supervirtana, jossa ei esiinny sirontaa, ja suprajohtavuus on seurausta tästä.

Lyhyet sähköpulssit kytkevät suprajohtavuuden päälle ja pois päältä taikakulmagrafeenissa

Teoria on kuitenkin vajavainen, kun se tulee selittämään korkean lämpötilan suprajohteiden takana olevia mekanismeja. Itse asiassa korkean lämpötilan suprajohtavuuden taustalla olevaa mekanismia pidetään yhtenä fysiikan ratkaisemattomista perusongelmista.

"Tuloksemme osoittavat, että BCS-yhtälöitä on myös muutettava suprajohtimille, kuten tBLG:lle, joissa on erittäin hitaasti liikkuvia varauksia", Lau sanoo. "Työmme voi myös tarjota uusia ohjaavia periaatteita etsiessämme uusia suprajohtimia, jotka voivat toimia korkeammissa lämpötiloissa kuin tunnetut", lisää Bockrath.

Tiimi jatkaa nyt tBLG:n tutkimista kvanttifioidakseen ja ymmärtääkseen kvanttigeometrian roolia yhteistyössä teoreetikkojen kanssa.

Tutkimus on kuvattu tarkemmin kohdassa luonto.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-could-help-make-twisted-bilayer-graphene-a-superconductor/