Квантовые эффекты могут помочь превратить скрученный двухслойный графен в сверхпроводник

Квантовая геометрия играет ключевую роль в превращении материала, известного как скрученный двухслойный графен (tBLG), в сверхпроводник. Университет штата Огайо, Техасский университет в Далласе, и Национальный институт материаловедения в Японии. Это открытие означает, что широко используемые уравнения Бардина-Купера-Шриффера (БКШ) для сверхпроводников необходимо модифицировать для таких материалов, как tBLG, которые имеют очень медленно движущиеся заряды. По словам исследователей, это также может помочь найти новые руководящие принципы в поиске новых сверхпроводников, работающих при более высоких температурах.

Графен представляет собой двумерный кристалл атомов углерода, расположенных в виде сот. Этот так называемый «чудо-материал» может похвастаться многими исключительными свойствами, в том числе высокой электропроводностью, поскольку носители заряда (электроны и дырки) проносятся через углеродную решетку с очень высокой скоростью.

В 2018 году исследователи под руководством Пабло Харильо-Эрреро Массачусетского технологического института обнаружил, что когда два таких листа помещаются друг на друга с небольшим угловым смещением, они образуют структуру, известную как муаровая сверхрешетка. И когда угол закручивания между ними достигает (теоретически предсказанного) «магического угла» 1.08°, эта «скрученная» двухслойная конфигурация начинает проявлять такие свойства, как сверхпроводимость ниже определенной критической температуры, T_c, – то есть проводит электричество без всякого сопротивления.

Под этим углом способ движения электронов в двух связанных слоях меняется, потому что теперь они вынуждены организовываться с одной и той же энергией. Это приводит к «плоским» электронным зонам, в которых состояния электронов имеют одинаковую энергию, несмотря на разные импульсы. Эта плоская зонная структура делает электроны бездисперсионными, то есть их кинетическая энергия становится полностью подавленной, и они не могут двигаться в муаровой решетке. В результате частицы замедляются почти до полной остановки и локализуются в определенных местах вдоль связанных слоев.

Парадокс проводимости

В новой работе исследователи под руководством Марк Бократ и Джини Лау, показали, что электроны в tBLG движутся со скоростью около 700–1200 м/с. Это может показаться быстрым в обычных терминах, но на самом деле это в 1000 раз медленнее, чем скорость электронов в однослойном графене.

«Эта скорость представляет собой внутреннюю скорость электронов в tBLG и, следовательно, также ограничивает то, какой ток может нести материал, будь то сверхпроводящий или металлический», — объясняет Лау. «Эта низкая скорость порождает парадокс: как tBLG проводит электричество, не говоря уже о сверхпроводимости, если электроны движутся так медленно?»

«Ответ — в квантовой геометрии, — говорит она.

Обычная геометрия относится к тому, как точки или объекты связаны в пространстве — например, как далеко они друг от друга и как они связаны. Квантовая геометрия аналогична, но описывает квантовую природу электронов, которые являются не только частицами, но и волнами и, следовательно, имеют волновые функции, а также то, как эти волновые функции соединяются и взаимодействуют. «Этот вклад оказывается критически важным для обеспечения сверхпроводимости», — говорит Бократ. Мир физики. «Вместо быстро движущихся электронов важны богатые связи электронных волновых функций».

Большинство сверхпроводников на сегодняшний день описываются теорией БКШ (названной в честь ее первооткрывателей Бардина, Купера и Шриффера). Эта теория объясняет, почему большинство металлических элементов обладают сверхпроводимостью ниже их предела. T_c: их фермионные электроны спариваются, создавая бозоны, называемые парами Купера. Эти бозоны образуют фазово-когерентный конденсат, который может протекать через материал как сверхток, не испытывающий рассеяния, и следствием этого является сверхпроводимость.

Короткие электрические импульсы включают и выключают сверхпроводимость в графене под магическим углом

Однако эта теория терпит неудачу, когда дело доходит до объяснения механизмов, лежащих в основе высокотемпературных сверхпроводников. Действительно, механизм, лежащий в основе высокотемпературной сверхпроводимости, считается одной из фундаментальных нерешенных проблем физики.

«Наши результаты показывают, что уравнения БКШ также необходимо модифицировать для сверхпроводников, таких как tBLG, с очень медленными зарядами», — говорит Лау. «Наша работа может также дать новые руководящие принципы в поиске новых сверхпроводников, которые могут работать при более высоких температурах, чем известные», — добавляет Бократ.

Теперь команда продолжит исследовать tBLG, чтобы количественно оценить и понять роль квантовой геометрии в сотрудничестве с теоретиками.

Исследование подробно описано в природа.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-could-help-make-twisted-bilayer-graphene-a-superconductor/