양자 효과는 뒤틀린 이중층 그래핀을 초전도체로 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.

플라톤에 의해 재발행

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실험에 사용된 cryostat insert — tBLG 장치 측정: 실험에 사용된 저온 유지 장치 삽입물. (제공: J Lau)

양자 기하학은 뒤틀린 이중층 그래핀(twisted bilayer graphene, tBLG)으로 알려진 물질이 초전도체가 되도록 하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 오하이오 주립 대학, 텍사스 달라스 대학및 국립 재료 과학 연구소 일본에서. 이 발견은 초전도체에 대해 널리 사용되는 BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer) 방정식이 매우 느리게 움직이는 전하를 갖는 tBLG와 같은 재료에 대해 수정될 필요가 있음을 의미합니다. 그것은 또한 더 높은 온도에서 작동하는 새로운 초전도체를 찾는 데 새로운 원칙을 제공하는 데 도움이 될 수 있다고 연구원들은 말했습니다.

그래핀은 벌집 모양으로 배열된 탄소 원자의 XNUMX차원 결정입니다. 소위 "놀라운 물질"이라고 불리는 이 물질은 전하 캐리어(전자 및 정공)가 매우 빠른 속도로 탄소 격자를 통과할 때 높은 전기 전도성을 포함하여 많은 뛰어난 특성을 자랑합니다.

2018년 연구원들은 파블로 야 릴로-헤레로 MIT의 연구진은 두 개의 시트가 작은 각도 오정렬로 서로의 위에 놓일 때 모아레 초격자로 알려진 구조를 형성한다는 것을 발견했습니다. 그리고 그들 사이의 비틀림 각도가 1.08°의 (이론적으로 예측된) "마법의 각도"에 도달하면 이 "뒤틀린" 이중층 구성이 특정 임계 온도 이하에서 초전도성과 같은 특성을 나타내기 시작합니다. T_c, – 즉, 저항 없이 전기를 전도합니다.

이 각도에서 두 개의 결합된 시트에서 전자가 이동하는 방식이 변경됩니다. 이것은 다른 운동량에도 불구하고 전자 상태가 정확히 동일한 에너지를 갖는 "평평한" 전자 밴드로 이어집니다. 이 플랫 밴드 구조는 전자를 분산시키지 않습니다. 즉, 전자의 운동 에너지가 완전히 억제되어 모아레 격자에서 움직일 수 없습니다. 그 결과 입자가 거의 정지할 정도로 느려지고 연결된 시트를 따라 특정 위치에 국한됩니다.

전도 역설

새로운 연구에서 연구원들은 마크 보크라트 과 지니 라우, tBLG의 전자가 약 700–1200m/s의 느린 속도로 이동함을 보여주었습니다. 이것은 기존의 용어로는 빠르게 보일 수 있지만 실제로는 단층 그래핀의 전자 속도보다 1000배 더 느립니다.

"이 속도는 tBLG의 전자에 대한 고유 속도를 구성하므로 초전도이든 금속이든 물질이 전달할 수 있는 전류량에 대한 제한이 있습니다."라고 Lau는 설명합니다. "이 느린 속도는 역설을 일으킵니다. 전자가 너무 느리게 움직이는 경우 tBLG는 초전도는 말할 것도 없고 어떻게 전기를 전도합니까?"

"대답은 양자 기하학입니다."라고 그녀는 말합니다.

일반적인 기하학은 점이나 물체가 공간적으로 어떻게 관련되어 있는지를 나타냅니다. 예를 들어, 그것들이 얼마나 멀리 떨어져 있고 어떻게 연결되어 있는지입니다. 양자 기하학은 비슷하지만 입자일 뿐만 아니라 파동이기도 하므로 파동함수를 갖는 전자의 양자적 특성과 이러한 파동함수가 어떻게 연결되고 연결되는지를 설명합니다. "이 기여는 초전도성을 가능하게 하는 데 중요한 것으로 밝혀졌습니다."라고 Bockrath는 말합니다. 물리 세계. "빠르게 움직이는 전자 대신 전자 파동 함수의 풍부한 연결이 중요합니다."

현재까지 대부분의 초전도체는 BCS 이론(발견자인 Bardeen, Cooper 및 Schrieffer의 이름을 따서 명명됨)에 의해 설명됩니다. 이 이론은 대부분의 금속 원소가 자신보다 낮은 온도에서 초전도하는 이유를 설명합니다. T_c: 이들의 페르미온 전자가 짝을 이루어 쿠퍼 쌍이라는 보손을 생성합니다. 이러한 보손은 산란을 경험하지 않는 초전류로서 물질을 통해 흐를 수 있는 위상 결맞음 응축물을 형성하며, 초전도성은 이것의 결과입니다.

각 층의 각도와 정렬을 통해 연구원들은 짧은 전기 펄스로 초전도성을 켜고 끌 수 있습니다.

짧은 전기 펄스는 매직 앵글 그래핀에서 초전도성을 켜고 끕니다.

그러나이 이론은 고온 초전도체의 메커니즘을 설명하는 데 부족합니다. 실제로 고온 초전도성의 기본 메커니즘은 물리학에서 근본적인 미해결 문제 중 하나로 간주됩니다.

"우리의 결과는 매우 느리게 움직이는 전하를 가진 tBLG와 같은 초전도체에 대해 BCS 방정식을 수정해야 한다는 것을 보여줍니다."라고 Lau는 말합니다. Bockrath는 "우리의 연구는 알려진 것보다 더 높은 온도에서 작동할 수 있는 새로운 초전도체를 찾는 데 있어 새로운 지도 원칙을 제공할 수도 있습니다."라고 덧붙였습니다.

팀은 이제 이론가들과 협력하여 양자 기하학의 역할을 정량화하고 이해하기 위해 tBLG를 계속 조사할 것입니다.

연구는 에 자세히 설명되어 있습니다. 자연.