A kvantumhatások segíthetnek abban, hogy a csavart kétrétegű grafén szupravezetővé váljon

Fizikusok új kísérletei szerint a kvantumgeometria kulcsszerepet játszik abban, hogy a csavart kétrétegű grafén (tBLG) néven ismert anyag szupravezetővé váljon. Az Ohio State University, A Dallas-i Texas Egyetem, És a Országos Anyagtudományi Intézet Japánban. A megállapítás arra utal, hogy a szupravezetőkre széles körben alkalmazott Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) egyenleteket módosítani kell az olyan anyagok esetében, mint a tBLG, amelyek nagyon lassan mozgó töltésekkel rendelkeznek. A kutatók szerint ez is segíthet új vezérelveket adni a magasabb hőmérsékleten működő szupravezetők keresésében.

A grafén egy kétdimenziós, méhsejt-mintázatba rendezett szénatomok kristálya. Ez az úgynevezett „csodaanyag” számos kivételes tulajdonsággal büszkélkedhet, beleértve a nagy elektromos vezetőképességet, mivel a töltéshordozók (elektronok és lyukak) nagyon nagy sebességgel zoomolnak át a szénrácson.

2018-ban kutatók vezetésével Pablo Jarillo-Herrero Az MIT kutatója megállapította, hogy ha két ilyen lapot egymásra helyeznek kis szögeltolódással, akkor moaré szuperrácsként ismert szerkezetet alkotnak. És amikor a köztük lévő csavarodási szög eléri az (elméletileg megjósolt) 1.08°-os „varázsszöget”, ez a „csavart” kétrétegű konfiguráció olyan tulajdonságokat kezd mutatni, mint a szupravezetés egy bizonyos kritikus hőmérséklet alatt. T_c, – vagyis minden ellenállás nélkül vezeti az elektromosságot.

Ebben a szögben megváltozik az elektronok mozgásának módja a két összekapcsolt lapban, mert most kénytelenek ugyanazon az energián megszervezni magukat. Ez „lapos” elektronikus sávokhoz vezet, amelyekben az elektronállapotok pontosan azonos energiával rendelkeznek, annak ellenére, hogy eltérő momentumaik vannak. Ez a lapos sávos szerkezet az elektronokat diszperziómentessé teszi – azaz mozgási energiájuk teljesen elnyomódik, és nem tudnak mozogni a moaré-rácsban. Az eredmény az, hogy a részecskék szinte megállnak, és az összekapcsolt lemezek mentén meghatározott helyeken lokalizálódnak.

Vezetési paradoxon

Az új munkában a kutatók, élükön Marc Bockrath és a Jeanie Lau, kimutatta, hogy a tBLG-ben az elektronok 700–1200 m/s körüli sebességgel mozognak. Ez hagyományos kifejezésekkel gyorsnak tűnhet, de valójában 1000-szer lassabb, mint az elektronok sebessége az egyrétegű grafénben.

„Ez a sebesség az elektronok belső sebességét jelenti a tBLG-ben, és így egyben határt is szab arra, hogy az anyag mekkora áramot képes szállítani, legyen az szupravezető vagy fém” – magyarázza Lau. „Ez a lassú sebesség paradoxonhoz vezet: hogyan vezeti a tBLG az elektromosságot, nemhogy a szupravezetést, ha az elektronok ilyen lassan mozognak?”

„A válasz a kvantumgeometria” – mondja.

A közönséges geometria arra utal, hogy a pontok vagy objektumok hogyan kapcsolódnak egymáshoz térben – például milyen távolságra vannak egymástól és hogyan kapcsolódnak egymáshoz. A kvantumgeometria hasonló, de leírja az elektronok kvantumtermészetét, amelyek nemcsak részecskék, hanem hullámok is, és így hullámfüggvényeik is vannak, valamint azt, hogy ezek a hullámfüggvények hogyan kapcsolódnak egymáshoz és hogyan kapcsolódnak egymáshoz. "Ez a hozzájárulás kulcsfontosságú a szupravezetés biztosításához" - mondja Bockrath Fizika Világa. "A gyorsan mozgó elektronok helyett az elektronhullámfüggvények gazdag kapcsolatai a fontosak."

A legtöbb szupravezetőt a mai napig a BCS elmélet írja le (a felfedezőiről, Bardeenről, Cooperről és Schriefferről elnevezett). Ez az elmélet megmagyarázza, hogy a legtöbb fémes elem miért vezet szupravezető képessége alatt T_c: fermionos elektronjaik párba állnak, és így Cooper-pároknak nevezett bozonokat hoznak létre. Ezek a bozonok fáziskoherens kondenzátumot képeznek, amely szuperáramként tud átfolyni az anyagon, amely nem tapasztal szóródást, és ennek következménye a szupravezetés.

Rövid elektromos impulzusok kapcsolják be és ki a szupravezetést a varázsszögű grafénben

Az elmélet azonban alulmarad, amikor a magas hőmérsékletű szupravezetők mögötti mechanizmusok magyarázatáról van szó. Valójában a magas hőmérsékletű szupravezetés mögött meghúzódó mechanizmust a fizika egyik alapvető megoldatlan problémájának tekintik.

„Eredményeink azt mutatják, hogy a BCS-egyenleteket a nagyon lassan mozgó töltésekkel rendelkező szupravezetők, például a tBLG esetében is módosítani kell” – mondja Lau. „Munkánk új vezérelveket is adhat az olyan új szupravezetők keresésében, amelyek az ismerteknél magasabb hőmérsékleten működnek” – teszi hozzá Bockrath.

A csapat most folytatja a tBLG vizsgálatát, hogy számszerűsítse és megértse a kvantumgeometria szerepét az elméleti szakemberekkel együttműködve.

A kutatás részletesen a Természet.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-could-help-make-twisted-bilayer-graphene-a-superconductor/