Квантові ефекти можуть допомогти зробити скручений двошаровий графен надпровідником

Відповідно до нових експериментів фізиків з Університет штату Огайо, Техаський університет в Далласі, А Національний інститут матеріалознавства в Японії. Це відкриття означає, що широко використовувані рівняння Бардіна–Купера–Шріффера (BCS) для надпровідників необхідно модифікувати для таких матеріалів, як tBLG, які мають дуже повільні заряди. Це також може допомогти створити нові керівні принципи в пошуку нових надпровідників, які працюють при більш високих температурах, кажуть дослідники.

Графен — це двовимірний кристал з атомів вуглецю, розташованих у вигляді стільників. Цей так званий «диво-матеріал» може похвалитися багатьма винятковими властивостями, включаючи високу електропровідність, оскільки носії заряду (електрони та дірки) рухаються крізь вуглецеву решітку на дуже високих швидкостях.

У 2018 році дослідники під керівництвом Пабло Харілло-Ерреро з Массачусетського технологічного інституту виявили, що коли два таких аркуші кладуть один на одного з невеликим кутом зміщення, вони утворюють структуру, відому як надгратка муару. І коли кут закручування між ними досягає (теоретично передбаченого) «магічного кута» 1.08°, ця «скручена» двошарова конфігурація починає проявляти такі властивості, як надпровідність нижче певної критичної температури, T_c, – тобто проводить електрику без опору.

Під цим кутом спосіб, у який електрони рухаються у двох зв’язаних листах, змінюється, оскільки тепер вони змушені організовуватися з однаковою енергією. Це призводить до «плоских» електронних зон, у яких електронні стани мають абсолютно однакову енергію, незважаючи на різні імпульси. Ця плоска смугова структура робить електрони бездисперсійними, тобто їх кінетична енергія повністю пригнічується, і вони не можуть рухатися в решітці муару. Результатом є те, що частинки сповільнюються майже до зупинки та локалізуються в певних місцях уздовж з’єднаних листів.

Парадокс провідності

У новій роботі дослідники під керівництвом Марк Боккрат та Джіні Лау, показав, що електрони в tBLG рухаються зі швидкістю як повільна приблизно 700–1200 м/с. Це може здатися швидким у звичайних термінах, але насправді це в 1000 разів повільніше, ніж швидкість електронів у моношаровому графені.

«Ця швидкість є власною швидкістю для електронів у tBLG і, отже, також обмежує силу струму, який може переносити матеріал, надпровідний він чи металевий», — пояснює Лау. «Ця повільна швидкість породжує парадокс: як tBLG проводить електрику, не кажучи вже про надпровідність, якщо електрони рухаються так повільно?»

«Відповідь — квантова геометрія», — каже вона.

Звичайна геометрія стосується того, як точки або об’єкти пов’язані просторово – наприклад, наскільки вони віддалені один від одного та як вони з’єднані. Квантова геометрія схожа, але описує квантову природу електронів, які є не лише частинками, але й хвилями, і, отже, мають хвильові функції, а також те, як ці хвильові функції з’єднуються та взаємопов’язуються. «Цей внесок виявляється критично важливим для забезпечення надпровідності», — розповідає Боккрат Світ фізики. «Замість електронів, що швидко рухаються, важливі зв’язки хвильових функцій електронів».

Більшість надпровідників на сьогодні описані теорією БКШ (названою на честь її першовідкривачів Бардіна, Купера та Шріффера). Ця теорія пояснює, чому більшість металевих елементів є надпровідними нижче їх T_c: їхні ферміонні електрони об’єднуються в пари, створюючи бозони, які називаються куперівськими парами. Ці бозони утворюють фазово-когерентний конденсат, який може протікати крізь матеріал як надструм, який не відчуває розсіювання, і надпровідність є наслідком цього.

Короткі електричні імпульси вмикають і вимикають надпровідність у графені з магічним кутом

Проте теорія не вдається пояснити механізми високотемпературних надпровідників. Дійсно, механізм, що лежить в основі високотемпературної надпровідності, вважається однією з фундаментальних невирішених проблем у фізиці.

«Наші результати показують, що рівняння BCS також необхідно модифікувати для надпровідників, таких як tBLG, з дуже повільними зарядами», — говорить Лау. «Наша робота також може надати нові керівні принципи в пошуку нових надпровідників, які можуть працювати при вищих температурах, ніж відомі», — додає Боккрат.

Тепер команда продовжить досліджувати tBLG, щоб кількісно визначити та зрозуміти роль квантової геометрії у співпраці з теоретиками.

Дослідження детально описано в природа.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-could-help-make-twisted-bilayer-graphene-a-superconductor/