Efectele cuantice ar putea ajuta la transformarea grafenului cu două straturi răsucite într-un supraconductor

Geometria cuantică joacă un rol cheie în a permite unui material cunoscut sub numele de grafen bistrat răsucit (tBLG) să devină un supraconductor, conform noilor experimente realizate de fizicieni de la Ohio State University, Universitatea din Texas din Dallas, Şi Institutul Național pentru Știința Materialelor in Japonia. Constatarea implică faptul că ecuațiile Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) utilizate pe scară largă pentru supraconductori trebuie modificate pentru materiale precum tBLG care au sarcini foarte lente. De asemenea, poate ajuta la furnizarea de noi principii directoare în căutarea de noi supraconductori care funcționează la temperaturi mai ridicate, spun cercetătorii.

Grafenul este un cristal bidimensional de atomi de carbon dispuși într-un model de fagure. Acest așa-numit „material minune” se mândrește cu multe proprietăți excepționale, inclusiv conductivitate electrică ridicată, deoarece purtătorii de sarcină (electroni și găuri) zoom prin rețeaua de carbon la viteze foarte mari.

În 2018 cercetători conduși de Pablo Jarillo-Herrero de la MIT a descoperit că, atunci când două astfel de foi sunt plasate una peste alta cu un mic unghi nealiniat, ele formează o structură cunoscută sub numele de superlatice moiré. Și când unghiul de răsucire dintre ele atinge „unghiul magic” (prevăzut teoretic) de 1.08°, această configurație cu două straturi „răsucite” începe să prezinte proprietăți precum supraconductivitate sub o anumită temperatură critică, T_c, – adică conduce electricitatea fără nicio rezistență.

În acest unghi, modul în care electronii se mișcă în cele două foi cuplate se schimbă, deoarece acum sunt forțați să se organizeze la aceeași energie. Acest lucru duce la benzi electronice „plate”, în care stările electronilor au exact aceeași energie, în ciuda faptului că au momente diferite. Această structură de bandă plată face electronii lipsiți de dispersie – adică energia lor cinetică devine complet suprimată și nu se pot mișca în rețeaua moiré. Rezultatul este că particulele încetinesc aproape până la oprire și devin localizate în poziții specifice de-a lungul foilor cuplate.

Un paradox de conducere

În noua lucrare, cercetătorii, conduși de Marc Bockrath și Jeanie Lau, a arătat că electronii din tBLG se mișcă cu o viteză la fel de lentă în jurul valorii de 700–1200 m/s. Acest lucru ar putea părea rapid în termeni convenționali, dar este de fapt cu un factor cu 1000 mai lent decât viteza electronilor din grafenul monostrat.

„Această viteză constituie o viteză intrinsecă pentru electroni în tBLG și, prin urmare, o limită a cât de mult curent poate transporta materialul, indiferent dacă este supraconductor sau metalic”, explică Lau. „Această viteză lentă dă naștere la un paradox: cum conduce tBLG electricitatea, darămite supraconductă, dacă electronii se mișcă atât de încet?”

„Răspunsul este geometria cuantică”, spune ea.

Geometria obișnuită se referă la modul în care punctele sau obiectele sunt legate spațial - de exemplu, cât de departe sunt și cum sunt conectate. Geometria cuantică este similară, dar descrie natura cuantică a electronilor, care nu sunt doar particule, ci și unde și, prin urmare, au funcții de undă și modul în care aceste funcții de undă se conectează și se interconectează. „Această contribuție se dovedește a fi critică pentru a permite supraconductivitatea”, spune Bockrath Lumea fizicii. „În loc de electroni care se mișcă rapid, conexiunile bogate ale funcțiilor de undă ale electronilor sunt importante.”

Majoritatea supraconductorilor de până acum sunt descriși de teoria BCS (numită după descoperitorii săi, Bardeen, Cooper și Schrieffer). Această teorie explică de ce majoritatea elementelor metalice supraconduc sub nivelul lor T_c: electronii lor fermionici se împerechează pentru a crea bozoni numiți perechi Cooper. Acești bosoni formează un condensat coerent de fază care poate curge prin material ca un supracurent care nu experimentează împrăștiere, iar supraconductibilitatea este o consecință a acestui fapt.

Impulsurile electrice scurte activează și dezactivează supraconductivitatea în grafenul cu unghi magic

Teoria este insuficientă, totuși, atunci când vine vorba de explicarea mecanismelor din spatele supraconductorilor de înaltă temperatură. Într-adevăr, mecanismul care stă la baza supraconductivității la temperatură înaltă este considerat una dintre problemele fundamentale nerezolvate din fizică.

„Rezultatele noastre arată că ecuațiile BCS trebuie modificate și pentru supraconductori precum tBLG cu sarcini foarte lente”, spune Lau. „Munca noastră poate oferi, de asemenea, noi principii directoare în căutarea de noi supraconductori care să poată funcționa la temperaturi mai ridicate decât cele cunoscute”, adaugă Bockrath.

Echipa va continua acum să investigheze tBLG pentru a cuantifica și înțelege rolul geometriei cuantice în colaborare cu teoreticienii.

Cercetarea este detaliată în Natură.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-could-help-make-twisted-bilayer-graphene-a-superconductor/