量子効果は、ねじれた二層グラフェンを超伝導体にするのに役立つ可能性があります

物理学者による新しい実験によると、ねじれ二層グラフェン (tBLG) として知られる材料が超伝導体になるには、量子幾何学が重要な役割を果たします。 オハイオ州立大学, テキサス大学ダラス校、 そしてその 物質・材料研究機構 日本で。 この発見は、超伝導体に広く使用されているバーディーン・クーパー・シュリーファー (BCS) 方程式を、電荷の動きが非常に遅い tBLG のような材料に合わせて修正する必要があることを意味します。 また、より高い温度で動作する新しい超伝導体の探索において、新しい指針を提供するのにも役立つ可能性があると研究者は述べています。

グラフェンは炭素原子が蜂の巣状に並んだ二次元結晶です。 このいわゆる「驚異の材料」は、電荷キャリア (電子と正孔) が非常に高速で炭素格子を通過するため、高い電気伝導性を含む多くの優れた特性を誇っています。

2018年に率いる研究者 パブロ・ハリージョ・ヘレロ MIT の研究チームは、このような 1.08 枚のシートを小さな角度のずれで重ね合わせると、モアレ超格子として知られる構造を形成することを発見しました。 そして、それらの間のねじれ角が (理論的に予測された) XNUMX° の「魔法の角度」に達すると、この「ねじれた」二重層構成は、特定の臨界温度以下で超伝導などの特性を示し始めます。 T_c、 – つまり、抵抗なしで電気を伝導します。

この角度では、結合された XNUMX つのシート内で電子が移動する方法が変化します。これは、電子が同じエネルギーで自分自身を組織化することを余儀なくされるためです。 これにより、運動量が異なるにもかかわらず、電子状態がまったく同じエネルギーを持つ「フラットな」電子バンドが得られます。 このフラット バンド構造により、電子は無分散になります。つまり、電子の運動エネルギーが完全に抑制され、モアレ格子内を移動できなくなります。 その結果、粒子はほとんど停止するまで減速し、結合されたシートに沿った特定の位置に局在化します。

伝導パラドックス

新しい作品では、研究者が率いる マーク・ボクラス & ジーニー・ラウは、tBLG 内の電子が 700 ～ 1200 m/s 程度の遅い速度で移動することを示しました。 これは従来の用語では高速に見えるかもしれませんが、実際には単層グラフェンの電子の速度よりも 1000 倍遅いです。

「この速度は、tBLG 内の電子の固有の速度を構成するため、超伝導であろうと金属であろうと、材料が運ぶことができる電流の量にも制限があります」とラウは説明します。 「この遅い速度はパラドックスを引き起こします。電子が非常にゆっくりと移動する場合、tBLG はどのように電気を伝導し、まして超伝導を行うのでしょうか?」

「答えは量子幾何学です」と彼女は言います。

通常のジオメトリとは、ポイントまたはオブジェクトが空間的にどのように関連しているかを指します。たとえば、それらがどれだけ離れているか、どのように接続されているかなどです。 量子幾何学も同様ですが、電子は粒子であるだけでなく波でもあり、したがって波動関数を持ち、これらの波動関数がどのように接続および相互リンクするかについて説明します。 「この貢献は、超伝導を可能にするために重要であることが判明しました」とBockrath氏は語っています。 物理学の世界. 「高速で移動する電子の代わりに、電子の波動関数の豊富な接続が重要です。」

これまでのほとんどの超伝導体は、BCS 理論 (その発見者であるバーディーン、クーパー、シュリーファーにちなんで名付けられました) によって記述されています。 この理論は、なぜほとんどの金属元素がその温度以下で超伝導するのかを説明します T_c: それらのフェルミオン電子が対になって、クーパー対と呼ばれるボソンを作成します。 これらのボソンは、散乱を経験しない超電流として材料を流れることができる位相コヒーレントな凝縮物を形成し、超伝導はこの結果です。

短い電気パルスが魔法角グラフェンの超伝導のオンとオフを切り替える

しかし、高温超伝導体の背後にあるメカニズムを説明することになると、理論は不十分です。 実際、高温超伝導の根底にあるメカニズムは、物理学における根本的な未解決の問題の XNUMX つと見なされています。

「私たちの結果は、電荷の移動が非常に遅い tBLG のような超伝導体については、BCS 方程式も修正する必要があることを示しています」と Lau は言います。 「私たちの研究は、既知の超伝導体よりも高い温度で動作できる新しい超伝導体の探索において、新しい指針を提供する可能性もあります」と、Bockrath は付け加えます。

チームは現在、理論家と協力して量子幾何学の役割を定量化し理解するために tBLG を調査し続けます。

研究の詳細は 自然.

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/quantum-effects-could-help-make-twisted-bilayer-graphene-a-superconductor/