เอฟเฟกต์ควอนตัมสามารถช่วยให้กราฟีน bilayer บิดเป็นตัวนำยิ่งยวด

เรขาคณิตควอนตัมมีบทบาทสำคัญในการทำให้วัสดุที่เรียกว่าบิด bilayer กราฟีน (tBLG) กลายเป็นตัวนำยิ่งยวด ตามการทดลองใหม่โดยนักฟิสิกส์ที่ มหาวิทยาลัยโอไฮโอสเตต, มหาวิทยาลัยเทกซัสเมืองดัลลัสและ สถาบันวัสดุศาสตร์แห่งชาติ ในญี่ปุ่น. การค้นพบนี้บอกเป็นนัยว่าสมการ Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับตัวนำยิ่งยวดจำเป็นต้องได้รับการแก้ไขสำหรับวัสดุเช่น tBLG ที่มีประจุเคลื่อนที่ช้ามาก นอกจากนี้ยังอาจช่วยให้มีแนวทางใหม่ในการค้นหาตัวนำยิ่งยวดใหม่ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้น นักวิจัยกล่าว

กราฟีนเป็นผลึกสองมิติของอะตอมของคาร์บอนที่จัดเรียงในรูปแบบรังผึ้ง สิ่งที่เรียกว่า "วัสดุมหัศจรรย์" นี้มีคุณสมบัติพิเศษมากมาย รวมถึงการนำไฟฟ้าสูงเมื่อพาหะประจุ (อิเล็กตรอนและรู) ซูมผ่านโครงตาข่ายคาร์บอนด้วยความเร็วสูงมาก

ในปี 2018 นักวิจัยนำโดย ปาโบล จาริลโล-เอร์เรโร ของ MIT พบว่าเมื่อวางแผ่นดังกล่าวสองแผ่นซ้อนทับกันโดยมีมุมเยื้องกันเล็กน้อย แผ่นเหล่านั้นจะก่อตัวเป็นโครงสร้างที่เรียกว่า moiré superlattice และเมื่อมุมบิดระหว่างทั้งสองถึง "มุมมหัศจรรย์" (ที่คาดการณ์ในทางทฤษฎี) ที่ 1.08° โครงแบบ Bilayer ที่ "บิดเบี้ยว" นี้จะเริ่มแสดงคุณสมบัติต่างๆ เช่น ตัวนำยิ่งยวดต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตที่กำหนด T_c, – นั่นคือ นำไฟฟ้าได้โดยไม่มีความต้านทานใดๆ

ที่มุมนี้ วิธีที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในแผ่นประกบสองแผ่นจะเปลี่ยนไปเพราะตอนนี้พวกมันถูกบังคับให้รวมตัวกันด้วยพลังงานที่เท่ากัน สิ่งนี้นำไปสู่แถบอิเล็กทรอนิกส์ "แบน" ซึ่งสถานะของอิเล็กตรอนมีพลังงานเท่ากันแม้จะมีโมเมนตาต่างกันก็ตาม โครงสร้างแถบแบนนี้ทำให้อิเล็กตรอนไม่มีการกระจายตัว นั่นคือ พลังงานจลน์ของพวกมันจะถูกระงับอย่างสมบูรณ์ และพวกมันไม่สามารถเคลื่อนที่ในตาข่ายมัวเรได้ ผลที่ได้คืออนุภาคช้าลงจนเกือบหยุดและถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นที่ตำแหน่งเฉพาะตามแผ่นประกบ

ความขัดแย้งทางการนำ

ในงานวิจัยชิ้นใหม่นี้ นักวิจัยนำโดย มาร์ค บ็อกราธ และ จีนี่ เลาแสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนใน tBLG เคลื่อนที่ด้วยความเร็วอย่างช้าประมาณ 700–1200 m/s นี่อาจดูเหมือนเร็วในแง่ทั่วไป แต่จริง ๆ แล้วเป็นปัจจัยที่ช้ากว่าความเร็วของอิเล็กตรอนในกราฟีนชั้นเดียวถึง 1000 เท่า

“ความเร็วนี้ถือเป็นความเร็วที่แท้จริงสำหรับอิเล็กตรอนใน tBLG และด้วยเหตุนี้จึงเป็นการจำกัดปริมาณกระแสที่วัสดุสามารถรับได้ ไม่ว่าจะเป็นตัวนำยิ่งยวดหรือโลหะ” Lau อธิบาย “ความเร็วที่ช้านี้ก่อให้เกิดความขัดแย้ง: tBLG นำไฟฟ้าได้อย่างไร นับประสาอะไรกับตัวนำยิ่งยวด ถ้าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ช้าขนาดนั้น”

"คำตอบคือเรขาคณิตควอนตัม" เธอกล่าว

รูปทรงเรขาคณิตทั่วไปหมายถึงความสัมพันธ์ของจุดหรือวัตถุในเชิงพื้นที่ เช่น ระยะห่างระหว่างกันและการเชื่อมต่อกันอย่างไร เรขาคณิตควอนตัมมีความคล้ายคลึงกัน แต่อธิบายถึงธรรมชาติควอนตัมของอิเล็กตรอน ซึ่งไม่ได้เป็นเพียงอนุภาคแต่รวมถึงคลื่นด้วย และด้วยเหตุนี้จึงมีฟังก์ชันคลื่น และฟังก์ชันคลื่นเหล่านี้เชื่อมต่อและเชื่อมโยงกันอย่างไร Bockrath บอก "การมีส่วนร่วมนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเปิดใช้งานตัวนำยิ่งยวด" โลกฟิสิกส์. “แทนที่จะเป็นอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็ว การเชื่อมต่อที่หลากหลายของฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนมีความสำคัญ”

ตัวนำยิ่งยวดในปัจจุบันส่วนใหญ่อธิบายโดยทฤษฎี BCS (ตั้งชื่อตามผู้ค้นพบ Bardeen, Cooper และ Schrieffer) ทฤษฎีนี้อธิบายว่าทำไมองค์ประกอบที่เป็นโลหะส่วนใหญ่จึงมีตัวนำยิ่งยวดต่ำกว่า T_c: เฟอร์มิโอนิกอิเล็กตรอนจับคู่กันเพื่อสร้างโบซอนที่เรียกว่าคูเปอร์คูเปอร์ โบซอนเหล่านี้ก่อตัวเป็นคอนเดนเสทที่เชื่อมโยงกันในเฟสซึ่งสามารถไหลผ่านวัสดุได้ในลักษณะเป็นกระแสน้ำยิ่งยวดที่ไม่มีการกระเจิง และความเป็นตัวนำยิ่งยวดเป็นผลมาจากสิ่งนี้

พัลส์ไฟฟ้าสั้นจะเปิดและปิดตัวนำยิ่งยวดในกราฟีนมุมมหัศจรรย์

อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีนี้สั้นมาก เมื่อพูดถึงการอธิบายกลไกเบื้องหลังตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง แท้จริงแล้ว กลไกที่อยู่ใต้ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงนั้นถือเป็นหนึ่งในปัญหาพื้นฐานที่แก้ไม่ตกในวิชาฟิสิกส์

“ผลลัพธ์ของเราแสดงให้เห็นว่าสมการ BCS จำเป็นต้องได้รับการแก้ไขสำหรับตัวนำยิ่งยวดเช่น tBLG ที่มีประจุที่เคลื่อนที่ช้ามาก” Lau กล่าว "งานของเราอาจให้แนวทางใหม่ในการค้นหาตัวนำยิ่งยวดใหม่ที่สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงกว่าที่ทราบ" Bockrath กล่าวเสริม

ทีมงานจะดำเนินการตรวจสอบ tBLG ต่อไปเพื่อหาปริมาณและทำความเข้าใจบทบาทของเรขาคณิตควอนตัมโดยร่วมมือกับนักทฤษฎี

การวิจัยมีรายละเอียดใน ธรรมชาติ.

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-could-help-make-twisted-bilayer-graphene-a-superconductor/