Efek kuantum dapat membantu membuat graphene bilayer bengkok menjadi superkonduktor

Efek kuantum dapat membantu membuat graphene bilayer bengkok menjadi superkonduktor

Stempel Waktu: 9 Maret 2023 10

Sisipan cryostat yang digunakan dalam percobaan
Mengukur perangkat tBLG: sisipan cryostat yang digunakan dalam percobaan. (Sumber: J Lau)

Geometri kuantum memainkan peran kunci dalam memungkinkan bahan yang dikenal sebagai twisted bilayer graphene (tBLG) menjadi superkonduktor, menurut percobaan baru oleh fisikawan di The Ohio State University, Universitas Texas di Dallas, Dan Institut Nasional untuk Ilmu Material di Jepang. Temuan ini menyiratkan bahwa persamaan Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) yang digunakan secara luas untuk superkonduktor perlu dimodifikasi untuk bahan seperti tBLG yang memiliki muatan yang bergerak sangat lambat. Ini juga dapat membantu memberikan prinsip panduan baru dalam mencari superkonduktor baru yang beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, kata para peneliti.

Graphene adalah kristal atom karbon dua dimensi yang tersusun dalam pola sarang lebah. Apa yang disebut "materi ajaib" ini menawarkan banyak sifat luar biasa, termasuk konduktivitas listrik yang tinggi sebagai pembawa muatan (elektron dan lubang) memperbesar kisi karbon dengan kecepatan sangat tinggi.

Pada tahun 2018 peneliti dipimpin oleh Pablo Jarillo-Herrero dari MIT menemukan bahwa ketika dua lembar seperti itu ditempatkan di atas satu sama lain dengan ketidaksejajaran sudut kecil, mereka membentuk struktur yang dikenal sebagai superkisi moiré. Dan ketika sudut puntiran di antara mereka mencapai "sudut ajaib" (yang diprediksi secara teoritis) sebesar 1.08°, konfigurasi bilayer "berputar" ini mulai menunjukkan sifat seperti superkonduktivitas di bawah suhu kritis tertentu, Tc, – artinya, ia menghantarkan listrik tanpa hambatan apa pun.

Pada sudut ini, cara elektron bergerak dalam dua lembar berpasangan berubah karena mereka sekarang dipaksa untuk mengatur dirinya sendiri pada energi yang sama. Ini mengarah pada pita elektronik "datar", di mana keadaan elektron memiliki energi yang persis sama meskipun memiliki momentum yang berbeda. Struktur pita datar ini membuat elektron tidak terdispersi – yaitu, energi kinetiknya menjadi benar-benar ditekan dan tidak dapat bergerak dalam kisi moiré. Hasilnya adalah partikel melambat hampir berhenti dan menjadi terlokalisasi pada posisi tertentu di sepanjang lembaran yang digabungkan.

Paradoks konduksi

Dalam karya baru tersebut, para peneliti dipimpin oleh Marc Bockrath dan Jeanie Lau, menunjukkan bahwa elektron dalam tBLG bergerak dengan kecepatan lambat sekitar 700–1200 m/s. Ini mungkin tampak cepat dalam istilah konvensional, tetapi sebenarnya merupakan faktor 1000 lebih lambat dari kecepatan elektron dalam graphene monolayer.

“Kecepatan ini merupakan kecepatan intrinsik untuk elektron dalam tBLG dan karenanya juga membatasi berapa banyak arus yang dapat dibawa material, apakah itu superkonduktor atau logam,” jelas Lau. “Kecepatan lambat ini menimbulkan paradoks: bagaimana tBLG menghantarkan listrik, apalagi superkonduktor, jika elektron bergerak sangat lambat?”

“Jawabannya adalah geometri kuantum,” katanya.

Geometri biasa mengacu pada bagaimana titik atau objek terkait secara spasial - misalnya, seberapa jauh mereka dan bagaimana mereka terhubung. Geometri kuantum serupa, tetapi menggambarkan sifat kuantum elektron, yang tidak hanya partikel tetapi juga gelombang, dan dengan demikian memiliki fungsi gelombang, dan bagaimana fungsi gelombang ini terhubung dan saling terkait. “Kontribusi ini ternyata sangat penting untuk mengaktifkan superkonduktivitas,” kata Bockrath Dunia Fisika. "Alih-alih elektron yang bergerak cepat, koneksi kaya fungsi gelombang elektron itu penting."

Kebanyakan superkonduktor sampai saat ini dijelaskan oleh teori BCS (dinamai menurut penemunya, Bardeen, Cooper dan Schrieffer). Teori ini menjelaskan mengapa sebagian besar elemen logam superkonduktor di bawahnya Tc: elektron fermionik mereka berpasangan untuk menciptakan boson yang disebut pasangan Cooper. Boson ini membentuk kondensat fase-koheren yang dapat mengalir melalui material sebagai arus super yang tidak mengalami hamburan, dan superkonduktivitas adalah konsekuensinya.

Namun, teori itu gagal ketika harus menjelaskan mekanisme di balik superkonduktor suhu tinggi. Memang, mekanisme yang mendasari superkonduktivitas suhu tinggi dianggap sebagai salah satu masalah mendasar yang belum terpecahkan dalam fisika.

“Hasil kami menunjukkan bahwa persamaan BCS juga perlu dimodifikasi untuk superkonduktor seperti tBLG dengan muatan yang bergerak sangat lambat,” kata Lau. “Pekerjaan kami juga dapat memberikan prinsip panduan baru dalam mencari superkonduktor baru yang dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi daripada yang diketahui,” tambah Bockrath.

Tim sekarang akan terus menyelidiki tBLG untuk mengukur dan memahami peran geometri kuantum bekerja sama dengan para ahli teori.

Penelitian ini dirinci dalam Alam.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika