השפעות קוונטיות יכולות לעזור להפוך גרפן דו-שכבתי מעוות למוליך-על

גיאומטריה קוונטית ממלאת תפקיד מפתח במתן אפשרות לחומר המכונה גרפן דו-שכבתי מעוות (tBLG) להפוך למוליך-על, על פי ניסויים חדשים של פיזיקאים ב- האוניברסיטה של ​​מדינת אוהיו, אוניברסיטת טקסס בדאלאס, וה המכון הלאומי למדעי החומרים ביפן. הממצא מרמז שיש לשנות את משוואות ברדין-קופר-שריפר (BCS) המועסקות באופן נרחב עבור מוליכים-על עבור חומרים כמו tBLG שיש להם מטענים איטיים מאוד. זה עשוי גם לעזור לספק עקרונות מנחים חדשים בחיפוש אחר מוליכים חדשים הפועלים בטמפרטורות גבוהות יותר, אומרים החוקרים.

גרפן הוא גביש דו מימדי של אטומי פחמן המסודרים בתבנית חלת דבש. מה שמכונה "חומר הפלא" הזה מתגאה בתכונות יוצאות דופן רבות, כולל מוליכות חשמלית גבוהה כאשר נושאי מטען (אלקטרונים וחורים) מתקרבים דרך סריג הפחמן במהירויות גבוהות מאוד.

בשנת 2018 חוקרים בראשות פבלו ג'רילו-הררו מ-MIT מצאו שכאשר שני יריעות כאלה מונחות זו על גבי זו עם חוסר יישור זווית קטן, הן יוצרות מבנה המכונה סריג-על של moiré. וכאשר זווית הפיתול ביניהם מגיעה ל"זווית הקסם" (החזויה תיאורטית) של 1.08°, התצורה הדו-שכבתית ה"מעוותת" הזו מתחילה להראות תכונות כמו מוליכות-על מתחת לטמפרטורה קריטית מסוימת, T_c, – כלומר מוליך חשמל ללא כל התנגדות.

בזווית זו, האופן שבו האלקטרונים נעים בשני היריעות המצורפות משתנה מכיוון שהם נאלצים כעת להתארגן באותה אנרגיה. זה מוביל לרצועות אלקטרוניות "שטוחות", שבהן למצבי אלקטרונים יש בדיוק אותה אנרגיה למרות מומנטה שונה. מבנה פס שטוח זה הופך את האלקטרונים לחסרי פיזור - כלומר, האנרגיה הקינטית שלהם מדוכאת לחלוטין והם אינם יכולים לנוע בסריג המוארה. התוצאה היא שהחלקיקים מאטים כמעט עד לעצירה ומתמקמים במיקומים ספציפיים לאורך היריעות המצורפות.

פרדוקס הולכה

בעבודה החדשה, החוקרים, בראשות מארק בוקרת' ו ג'יני לאו, הראה שהאלקטרונים ב-tBLG נעים במהירות איטית בסביבות 700-1200 m/s. זה אולי נראה מהיר במונחים קונבנציונליים, אבל הוא למעשה איטי בפקטור של 1000 ממהירות האלקטרונים בגרפן חד-שכבתי.

"מהירות זו מהווה מהירות מהותית לאלקטרונים ב-tBLG ומכאן גם מגבלה לכמות הזרם שהחומר יכול לשאת, בין אם הוא מוליך או מתכתי", מסביר לאו. "מהירות איטית זו מולידה פרדוקס: כיצד tBLG מוליך חשמל, שלא לדבר על מוליך-על, אם האלקטרונים נעים כל כך לאט?"

"התשובה היא גיאומטריה קוונטית", היא אומרת.

גיאומטריה רגילה מתייחסת לאופן שבו נקודות או עצמים קשורים מבחינה מרחבית - למשל, עד כמה הם רחוקים זה מזה וכיצד הם מחוברים. גיאומטריה קוונטית דומה, אך מתארת ​​את הטבע הקוונטי של אלקטרונים, שהם לא רק חלקיקים אלא גם גלים, ולכן יש להם פונקציות גל, וכיצד פונקציות הגלים הללו מתחברים ומקשרים זה בזה. "מתגלה שהתרומה הזו היא קריטית כדי לאפשר מוליכות-על", אומר בוקרת' עולם הפיזיקה. "במקום אלקטרונים הנעים במהירות, החיבורים העשירים של פונקציות גל אלקטרונים חשובים."

רוב מוליכי העל עד כה מתוארים על ידי תיאוריית ה-BCS (הקרויה על שם מגליה, ברדין, קופר ושריפר). תיאוריה זו מסבירה מדוע רוב היסודות המתכתיים מוליכים מתחת להם T_c: האלקטרונים הפרמיוניים שלהם מתאחדים ליצירת בוזונים הנקראים זוגות קופר. בוזונים אלו יוצרים עיבוי קוהרנטי פאזה שיכול לזרום דרך החומר כעל זרם-על שאינו חווה פיזור, ומוליכות-על היא תוצאה של זה.

פולסים חשמליים קצרים מפעילים ומכבים מוליכות-על בגרפן עם זווית קסם

התיאוריה נופלת, עם זאת, כשזה מגיע להסבר המנגנונים מאחורי מוליכים בטמפרטורה גבוהה. ואכן, המנגנון העומד בבסיס מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה נחשב לאחת הבעיות הבסיסיות הבלתי פתורות בפיזיקה.

"התוצאות שלנו מראות שצריך לשנות את משוואות ה-BCS גם עבור מוליכים כמו tBLG עם מטענים איטיים מאוד", אומר לאו. "העבודה שלנו עשויה גם לספק עקרונות מנחים חדשים בחיפוש אחר מוליכים חדשים שיכולים לפעול בטמפרטורות גבוהות יותר מהידועים", מוסיף בוקרת'.

הצוות ימשיך כעת לחקור את tBLG כדי לכמת ולהבין את תפקידה של גיאומטריה קוונטית בשיתוף עם תיאורטיקנים.

המחקר מפורט ב טבע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-could-help-make-twisted-bilayer-graphene-a-superconductor/