Efekty kwantowe mogą sprawić, że skręcony dwuwarstwowy grafen stanie się nadprzewodnikiem

Według nowych eksperymentów przeprowadzonych przez fizyków z Ohio State University, Uniwersytet w Teksasie w Dallasi Narodowy Instytut Nauki o Materiałach w Japonii. Odkrycie sugeruje, że szeroko stosowane równania Bardeena-Coopera-Schrieffera (BCS) dla nadprzewodników muszą zostać zmodyfikowane dla materiałów takich jak tBLG, które mają bardzo wolno poruszające się ładunki. Zdaniem naukowców może również pomóc w zapewnieniu nowych zasad przewodnich w poszukiwaniu nowych nadprzewodników działających w wyższych temperaturach.

Grafen to dwuwymiarowy kryształ z atomów węgla ułożonych we wzór plastra miodu. Ten tak zwany „cudowny materiał” ma wiele wyjątkowych właściwości, w tym wysoką przewodność elektryczną, ponieważ nośniki ładunku (elektrony i dziury) przemieszczają się przez siatkę węglową z bardzo dużą prędkością.

W 2018 roku naukowcy pod kierunkiem Pabla Jarillo-Herrero z MIT odkryli, że kiedy dwa takie arkusze są umieszczone jeden na drugim z niewielkim przesunięciem kątowym, tworzą strukturę znaną jako supersieć mory. A kiedy kąt skręcenia między nimi osiągnie (teoretycznie przewidywany) „magiczny kąt” 1.08°, ta „skręcona” dwuwarstwowa konfiguracja zaczyna wykazywać takie właściwości, jak nadprzewodnictwo poniżej pewnej temperatury krytycznej, T_c, – czyli przewodzi prąd elektryczny bez żadnego oporu.

Pod tym kątem zmienia się sposób, w jaki elektrony poruszają się w dwóch sprzężonych arkuszach, ponieważ są teraz zmuszone do organizowania się przy tej samej energii. Prowadzi to do „płaskich” pasm elektronowych, w których stany elektronowe mają dokładnie taką samą energię, pomimo różnych pędów. Ta płaska struktura pasmowa sprawia, że ​​elektrony są bezdyspersyjne – to znaczy ich energia kinetyczna zostaje całkowicie stłumiona i nie mogą one poruszać się w siatce mory. W rezultacie cząstki zwalniają prawie do zatrzymania i są zlokalizowane w określonych pozycjach wzdłuż połączonych arkuszy.

Paradoks przewodzenia

W nowej pracy naukowcy pod kierunkiem Marka Bockratha i Jeanie Lau, wykazały, że elektrony w tBLG poruszają się z prędkością rzędu 700–1200 m/s. Może się to wydawać szybkie w konwencjonalnych kategoriach, ale w rzeczywistości jest 1000 razy wolniejsze niż prędkość elektronów w grafenie jednowarstwowym.

„Prędkość ta stanowi wewnętrzną prędkość elektronów w tBLG, a zatem także ograniczenie prądu, jaki materiał może przenosić, niezależnie od tego, czy jest nadprzewodzący, czy metaliczny”, wyjaśnia Lau. „Ta niska prędkość prowadzi do paradoksu: w jaki sposób tBLG przewodzi elektryczność, nie mówiąc już o nadprzewodnictwie, skoro elektrony poruszają się tak wolno?”

„Odpowiedzią jest geometria kwantowa” – mówi.

Zwykła geometria odnosi się do tego, w jaki sposób punkty lub obiekty są powiązane przestrzennie — na przykład, jak daleko są od siebie i jak są ze sobą połączone. Geometria kwantowa jest podobna, ale opisuje kwantową naturę elektronów, które są nie tylko cząstkami, ale także falami, a zatem mają funkcje falowe, oraz sposób, w jaki te funkcje falowe łączą się i łączą. „Ten wkład okazuje się mieć kluczowe znaczenie dla umożliwienia nadprzewodnictwa” — mówi Bockrath Świat Fizyki. „Zamiast szybko poruszających się elektronów ważne są bogate połączenia funkcji falowych elektronów”.

Większość dotychczasowych nadprzewodników opisuje teoria BCS (nazwana na cześć jej odkrywców, Bardeena, Coopera i Schrieffera). Teoria ta wyjaśnia, dlaczego większość pierwiastków metalicznych znajduje się pod przewodnictwem nadprzewodzącym T_c: ich elektrony fermionowe łączą się w pary, tworząc bozony zwane parami Coopera. Te bozony tworzą spójny fazowo kondensat, który może przepływać przez materiał jako nadprąd, który nie podlega rozpraszaniu, a konsekwencją tego jest nadprzewodnictwo.

Krótkie impulsy elektryczne włączają i wyłączają nadprzewodnictwo w grafenie o magicznym kącie

Teoria zawodzi jednak, jeśli chodzi o wyjaśnienie mechanizmów stojących za nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi. Rzeczywiście, mechanizm leżący u podstaw nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego jest uważany za jeden z podstawowych nierozwiązanych problemów fizyki.

„Nasze wyniki pokazują, że równania BCS również wymagają modyfikacji dla nadprzewodników, takich jak tBLG z bardzo wolno poruszającymi się ładunkami”, mówi Lau. „Nasze prace mogą również dostarczyć nowych wskazówek w poszukiwaniu nowych nadprzewodników, które mogą działać w temperaturach wyższych niż te znane”, dodaje Bockrath.

Zespół będzie teraz kontynuował badania tBLG, aby określić ilościowo i zrozumieć rolę geometrii kwantowej we współpracy z teoretykami.

Badanie jest szczegółowo opisane w Natura.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-could-help-make-twisted-bilayer-graphene-a-superconductor/