Kvanteffekter kan hjälpa till att göra vriden dubbelskiktsgrafen till en supraledare

Kvanteffekter kan hjälpa till att göra vriden dubbelskiktsgrafen till en supraledare

Tidsstämpel: 9 mars 2023 10:00

Kryostatinsatsen som användes i experimenten
Mätning av tBLG-enheter: kryostatinsatsen som används i experimenten. (Med tillstånd: J Lau)

Kvantgeometri spelar en nyckelroll för att tillåta ett material känt som vriden dubbelskiktsgrafen (tBLG) att bli en supraledare, enligt nya experiment av fysiker vid The Ohio State University, University of Texas i Dallas, Och den National Institute for Material Science i Japan. Fyndet antyder att de allmänt använda Bardeen-Cooper-Schrieffer-ekvationerna (BCS) för supraledare måste modifieras för material som tBLG som har mycket långsamma laddningar. Det kan också bidra till att ge nya vägledande principer i sökandet efter nya supraledare som arbetar vid högre temperaturer, säger forskarna.

Grafen är en tvådimensionell kristall av kolatomer arrangerade i ett bikakemönster. Detta så kallade "undermaterial" har många exceptionella egenskaper, inklusive hög elektrisk ledningsförmåga då laddningsbärare (elektroner och hål) zoomar igenom kolgittret med mycket höga hastigheter.

Under 2018 forskare under ledning av Pablo Jarillo-Herrero från MIT fann att när två sådana ark placeras ovanpå varandra med en liten vinkelförskjutning, bildar de en struktur som kallas ett moiré-supergitter. Och när vridningsvinkeln mellan dem når den (teoretiskt förutsagda) "magiska vinkeln" på 1.08°, börjar denna "tvinnade" dubbelskiktskonfiguration visa egenskaper som supraledning under en viss kritisk temperatur, Tc, – det vill säga den leder elektricitet utan något motstånd.

Vid denna vinkel förändras sättet på vilket elektroner rör sig i de två kopplade arken eftersom de nu tvingas organisera sig med samma energi. Detta leder till "platta" elektroniska band, där elektrontillstånd har exakt samma energi trots olika moment. Denna platta bandstruktur gör elektroner dispersionsfria – det vill säga deras kinetiska energi blir helt undertryckt och de kan inte röra sig i moirégittret. Resultatet är att partiklarna saktar nästan till att stanna och blir lokaliserade på specifika positioner längs de kopplade arken.

En ledningsparadox

I det nya arbetet har forskarna, med ledning av Marc Bockrath och Jeanie Lau, visade att elektroner i tBLG rör sig med en hastighet så långsam runt 700–1200 m/s. Detta kan tyckas snabbt i konventionella termer, men är faktiskt en faktor 1000 långsammare än hastigheten för elektroner i monolagergrafen.

"Denna hastighet utgör en inneboende hastighet för elektroner i tBLG och därmed också en gräns för hur mycket ström materialet kan bära, oavsett om det är supraledande eller metalliskt", förklarar Lau. "Denna långsamma hastighet ger upphov till en paradox: hur leder tBLG elektricitet, än mindre supraledning, om elektronerna rör sig så långsamt?"

"Svaret är kvantgeometri", säger hon.

Vanlig geometri avser hur punkter eller objekt är spatialt relaterade – till exempel hur långt ifrån varandra de är och hur de hänger ihop. Kvantgeometrin liknar varandra, men beskriver kvantnaturen hos elektroner, som inte bara är partiklar utan också vågor, och därmed har vågfunktioner, och hur dessa vågfunktioner ansluter och länkar samman. "Detta bidrag visar sig vara avgörande för att möjliggöra supraledning," berättar Bockrath Fysikvärlden. "Istället för snabbt rörliga elektroner är de rika anslutningarna av elektronvågfunktioner viktiga."

De flesta supraledare hittills beskrivs av BCS-teorin (uppkallad efter dess upptäckare, Bardeen, Cooper och Schrieffer). Denna teori förklarar varför de flesta metalliska element supraledare under deras Tc: deras fermioniska elektroner parar ihop sig för att skapa bosoner som kallas Cooper-par. Dessa bosoner bildar ett faskoherent kondensat som kan strömma genom materialet som en superström som inte upplever spridning, och supraledning är en konsekvens av detta.

Teorin misslyckas dock när det gäller att förklara mekanismerna bakom högtemperatursupraledare. Den mekanism som ligger bakom supraledning vid hög temperatur betraktas faktiskt som ett av de grundläggande olösta problemen inom fysiken.

"Våra resultat visar att BCS-ekvationerna också måste modifieras för supraledare som tBLG med mycket långsamma laddningar", säger Lau. "Vårt arbete kan också ge nya vägledande principer i sökandet efter nya supraledare som kan arbeta vid högre temperaturer än de kända," tillägger Bockrath.

Teamet kommer nu att fortsätta att undersöka tBLG för att kvantifiera och förstå kvantgeometrins roll i samarbete med teoretiker.

Forskningen är detaljerad i Natur.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden