Kwantumeffecten kunnen helpen om van gedraaid dubbellaags grafeen een supergeleider te maken

Kwantumeffecten kunnen helpen om van gedraaid dubbellaags grafeen een supergeleider te maken

Tijdstempel: 9 maart 2023 10:00 uur

Het cryostaat-inzetstuk dat in de experimenten werd gebruikt
TBLG-apparaten meten: het cryostaat-inzetstuk dat in de experimenten werd gebruikt. (Met dank aan: J Lau)

Kwantumgeometrie speelt een sleutelrol bij het mogelijk maken dat een materiaal dat bekend staat als gedraaid dubbellaags grafeen (tBLG) een supergeleider kan worden, volgens nieuwe experimenten van natuurkundigen van het De Ohio State University, De Universiteit van Texas in DallasEn Nationaal instituut voor materiaalkunde in Japan. De bevinding impliceert dat de algemeen gebruikte Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)-vergelijkingen voor supergeleiders moeten worden aangepast voor materialen zoals tBLG die zeer langzaam bewegende ladingen hebben. Het kan ook helpen nieuwe leidende principes te bieden bij de zoektocht naar nieuwe supergeleiders die bij hogere temperaturen werken, zeggen de onderzoekers.

Grafeen is een tweedimensionaal kristal van koolstofatomen gerangschikt in een honingraatpatroon. Dit zogenaamde ‘wondermateriaal’ beschikt over vele uitzonderlijke eigenschappen, waaronder een hoge elektrische geleidbaarheid doordat ladingsdragers (elektronen en gaten) met zeer hoge snelheden door het koolstofrooster zoeven.

In 2018 onder leiding van onderzoekers Pablo Jarillo-Herrero van MIT ontdekte dat wanneer twee van dergelijke platen op elkaar worden geplaatst met een kleine verkeerde uitlijning, ze een structuur vormen die bekend staat als een moiré-superrooster. En wanneer de draaihoek daartussen de (theoretisch voorspelde) ‘magische hoek’ van 1.08° bereikt, begint deze ‘gedraaide’ dubbellaagse configuratie eigenschappen te vertonen zoals supergeleiding onder een bepaalde kritische temperatuur, Tc, – dat wil zeggen, het geleidt elektriciteit zonder enige weerstand.

Onder deze hoek verandert de manier waarop elektronen in de twee gekoppelde lagen bewegen, omdat ze nu gedwongen worden zichzelf op dezelfde energie te organiseren. Dit leidt tot ‘platte’ elektronische banden, waarin elektronentoestanden exact dezelfde energie hebben ondanks verschillende impulsen. Deze platte bandstructuur maakt elektronen dispersieloos – dat wil zeggen dat hun kinetische energie volledig wordt onderdrukt en dat ze niet in het moirérooster kunnen bewegen. Het resultaat is dat de deeltjes bijna tot stilstand komen en op specifieke posities langs de gekoppelde platen worden gelokaliseerd.

Een geleidingsparadox

In het nieuwe werk hebben de onderzoekers, geleid door Marc Bockrath en Jeanie Lau, toonde aan dat elektronen in tBLG bewegen met een snelheid die zo langzaam is rond de 700–1200 m/s. Dit lijkt in conventionele termen misschien snel, maar is in werkelijkheid een factor 1000 langzamer dan de snelheid van elektronen in monolaaggrafeen.

“Deze snelheid vormt een intrinsieke snelheid voor elektronen in tBLG en dus ook een limiet voor de hoeveelheid stroom die het materiaal kan dragen, of het nu supergeleidend of metallisch is”, legt Lau uit. “Deze lage snelheid leidt tot een paradox: hoe geleidt tBLG elektriciteit, laat staan ​​supergeleiding, als de elektronen zo langzaam bewegen?”

“Het antwoord is kwantumgeometrie”, zegt ze.

Gewone geometrie verwijst naar hoe punten of objecten ruimtelijk met elkaar verbonden zijn, bijvoorbeeld hoe ver ze uit elkaar liggen en hoe ze met elkaar verbonden zijn. Kwantumgeometrie is vergelijkbaar, maar beschrijft de kwantumaard van elektronen, die niet alleen deeltjes zijn maar ook golven, en dus golffuncties hebben, en hoe deze golffuncties met elkaar verbonden zijn en met elkaar verbonden zijn. “Deze bijdrage blijkt van cruciaal belang om supergeleiding mogelijk te maken”, vertelt Bockrath Natuurkunde wereld. “In plaats van snel bewegende elektronen zijn de rijke verbindingen van elektronengolffuncties belangrijk.”

De meeste supergeleiders tot nu toe worden beschreven door de BCS-theorie (genoemd naar de ontdekkers ervan, Bardeen, Cooper en Schrieffer). Deze theorie verklaart waarom de meeste metalen elementen supergeleiden onder hun niveau Tc: hun fermionische elektronen paren om bosonen te creëren die Cooper-paren worden genoemd. Deze bosonen vormen een fase-coherent condensaat dat door het materiaal kan stromen als een superstroom die geen verstrooiing ondervindt, en supergeleiding is daar een gevolg van.

De theorie schiet echter tekort als het gaat om het verklaren van de mechanismen achter hoge-temperatuur-supergeleiders. Het mechanisme dat ten grondslag ligt aan supergeleiding bij hoge temperaturen wordt beschouwd als een van de fundamentele onopgeloste problemen in de natuurkunde.

“Onze resultaten laten zien dat de BCS-vergelijkingen ook moeten worden aangepast voor supergeleiders zoals tBLG met zeer langzaam bewegende ladingen”, zegt Lau. “Ons werk kan ook nieuwe leidende principes opleveren in de zoektocht naar nieuwe supergeleiders die kunnen werken bij hogere temperaturen dan de bekende,” voegt Bockrath toe.

Het team zal nu tBLG blijven onderzoeken om de rol van de kwantumgeometrie in samenwerking met theoretici te kwantificeren en te begrijpen.

Het onderzoek is gedetailleerd in NATUUR.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld