Kvanteeffekter kan bidra til å gjøre vridd tolagsgrafen til en superleder

Kvanteeffekter kan bidra til å gjøre vridd tolagsgrafen til en superleder

Tidsstempel: 9. mars 2023 10:00

Kryostatinnsatsen som ble brukt i forsøkene
Måling av tBLG-enheter: kryostatinnsatsen som ble brukt i eksperimentene. (Med tillatelse: J Lau)

Kvantegeometri spiller en nøkkelrolle i å la et materiale kjent som vridd tolagsgrafen (tBLG) bli en superleder, ifølge nye eksperimenter fra fysikere ved Ohio State University, University of Texas i Dallas, og Nasjonalt institutt for materialvitenskap i Japan. Funnet antyder at de mye brukte Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) ligningene for superledere må modifiseres for materialer som tBLG som har svært saktegående ladninger. Det kan også bidra til å gi nye veiledende prinsipper i jakten på nye superledere som opererer ved høyere temperaturer, sier forskerne.

Grafen er en todimensjonal krystall av karbonatomer arrangert i et bikakemønster. Dette såkalte "vidundermaterialet" kan skilte med mange eksepsjonelle egenskaper, inkludert høy elektrisk ledningsevne da ladningsbærere (elektroner og hull) zoomer gjennom karbongitteret i svært høye hastigheter.

I 2018 forskere ledet av Pablo Jarillo-Herrero fra MIT fant at når to slike ark plasseres oppå hverandre med en liten vinkelfeil, danner de en struktur kjent som et moiré-supergitter. Og når vridningsvinkelen mellom dem når den (teoretisk forutsagte) "magiske vinkelen" på 1.08°, begynner denne "vridde" tolagskonfigurasjonen å vise egenskaper som superledning under en viss kritisk temperatur, Tc, – det vil si at den leder strøm uten motstand.

Ved denne vinkelen endres måten elektronene beveger seg på i de to koblede arkene fordi de nå er tvunget til å organisere seg med samme energi. Dette fører til "flate" elektroniske bånd, der elektrontilstander har nøyaktig samme energi til tross for forskjellig momenta. Denne flate båndstrukturen gjør elektroner dispersjonsløse – det vil si at deres kinetiske energi blir fullstendig undertrykt og de kan ikke bevege seg i moirégitteret. Resultatet er at partiklene bremser nesten opp og blir lokaliserte på bestemte posisjoner langs de koblede arkene.

Et ledningsparadoks

I det nye arbeidet har forskerne, ledet av Marc Bockrath og Jeanie Lau, viste at elektroner i tBLG beveger seg med en hastighet så sakte rundt 700–1200 m/s. Dette kan virke raskt i konvensjonelle termer, men er faktisk en faktor 1000 langsommere enn hastigheten til elektroner i monolagsgrafen.

"Denne hastigheten utgjør en egenhastighet for elektroner i tBLG og dermed også en grense for hvor mye strøm materialet kan bære, enten det er superledende eller metallisk," forklarer Lau. "Denne sakte hastigheten gir opphav til et paradoks: hvordan leder tBLG elektrisitet, enn si superledning, hvis elektronene beveger seg så sakte?"

"Svaret er kvantegeometri," sier hun.

Vanlig geometri refererer til hvordan punkter eller objekter er relatert romlig – for eksempel hvor langt fra hverandre de er og hvordan de henger sammen. Kvantegeometri er lik, men beskriver kvantenaturen til elektroner, som ikke bare er partikler, men også bølger, og dermed har bølgefunksjoner, og hvordan disse bølgefunksjonene kobles sammen og sammenkobles. "Dette bidraget viser seg å være avgjørende for å muliggjøre superledning," forteller Bockrath Fysikkens verden. "I stedet for raskt bevegelige elektroner, er de rike forbindelsene til elektronbølgefunksjoner viktige."

De fleste superledere til dags dato er beskrevet av BCS-teorien (oppkalt etter dens oppdagere, Bardeen, Cooper og Schrieffer). Denne teorien forklarer hvorfor de fleste metalliske elementer superleder under deres Tc: deres fermioniske elektroner parer seg for å lage bosoner kalt Cooper-par. Disse bosonene danner et fasekoherent kondensat som kan strømme gjennom materialet som en superstrøm som ikke opplever spredning, og superledning er en konsekvens av dette.

Teorien kommer imidlertid til kort når det gjelder å forklare mekanismene bak høytemperatursuperledere. Faktisk blir mekanismen som ligger til grunn for høytemperatursuperledning sett på som et av de grunnleggende uløste problemene i fysikk.

"Våre resultater viser at BCS-ligningene også må modifiseres for superledere som tBLG med svært saktegående ladninger," sier Lau. "Vårt arbeid kan også gi nye veiledende prinsipper i søket etter nye superledere som kan operere ved høyere temperaturer enn de kjente," legger Bockrath til.

Teamet vil nå fortsette å undersøke tBLG for å kvantifisere og forstå rollen til kvantegeometri i samarbeid med teoretikere.

Forskningen er detaljert i Natur.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden