Hiệu ứng lượng tử có thể giúp biến graphene hai lớp xoắn thành chất siêu dẫn

Hiệu ứng lượng tử có thể giúp biến graphene hai lớp xoắn thành chất siêu dẫn

Dấu thời gian: Ngày 9 tháng 2023 năm 10 00:XNUMX sáng

Bộ điều nhiệt được sử dụng trong thí nghiệm
Thiết bị đo tBLG: bộ điều nhiệt được sử dụng trong thí nghiệm. (Được phép: J Lau)

Hình học lượng tử đóng một vai trò quan trọng trong việc cho phép một vật liệu được gọi là graphene hai lớp xoắn (tBLG) trở thành chất siêu dẫn, theo các thí nghiệm mới của các nhà vật lý tại The Ohio State University, Đại học Texas tại Dallas, và Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia Ở Nhật. Phát hiện này ngụ ý rằng các phương trình Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) được sử dụng rộng rãi cho chất siêu dẫn cần phải được sửa đổi đối với các vật liệu như tBLG có điện tích chuyển động rất chậm. Các nhà nghiên cứu cho biết nó cũng có thể giúp cung cấp các nguyên tắc hướng dẫn mới trong việc tìm kiếm các chất siêu dẫn mới hoạt động ở nhiệt độ cao hơn.

Graphene là một tinh thể hai chiều gồm các nguyên tử carbon được sắp xếp theo kiểu tổ ong. Cái gọi là “vật liệu kỳ diệu” này có nhiều đặc tính đặc biệt, bao gồm tính dẫn điện cao khi các hạt mang điện (electron và lỗ trống) phóng to qua mạng cacbon ở tốc độ rất cao.

Năm 2018, các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Pablo Jarillo-Herero của MIT đã phát hiện ra rằng khi hai tấm như vậy được đặt chồng lên nhau với một góc lệch nhỏ, chúng tạo thành một cấu trúc được gọi là siêu mạng moiré. Và khi góc xoắn giữa chúng đạt đến “góc ma thuật” (được dự đoán theo lý thuyết) là 1.08°, cấu hình lớp kép “xoắn” này bắt đầu thể hiện các tính chất như tính siêu dẫn dưới một nhiệt độ tới hạn nhất định, Tc, – nghĩa là nó dẫn điện mà không có bất kỳ điện trở nào.

Ở góc độ này, cách mà các electron di chuyển trong hai tấm liên kết thay đổi vì lúc này chúng buộc phải tự tổ chức ở cùng một mức năng lượng. Điều này dẫn đến các dải điện tử “phẳng”, trong đó các trạng thái của electron có năng lượng chính xác như nhau mặc dù có xung lượng khác nhau. Cấu trúc dải phẳng này làm cho các electron không bị phân tán – nghĩa là động năng của chúng bị triệt tiêu hoàn toàn và chúng không thể di chuyển trong mạng tinh thể moiré. Kết quả là các hạt chậm gần như dừng lại và trở nên cục bộ tại các vị trí cụ thể dọc theo các tấm được ghép nối.

Nghịch lý dẫn truyền

Trong công trình mới, các nhà nghiên cứu, đứng đầu là Marc Bockrath và Jeanie Lau, cho thấy các electron trong tBLG di chuyển với tốc độ chậm khoảng 700–1200 m/s. Điều này có vẻ nhanh theo thuật ngữ thông thường, nhưng thực tế là chậm hơn 1000 lần so với tốc độ của các electron trong graphene đơn lớp.

Lau giải thích: “Vận tốc này cấu thành một tốc độ nội tại đối với các electron trong tBLG và do đó cũng là giới hạn đối với cường độ dòng điện mà vật liệu đó có thể mang, cho dù đó là vật liệu siêu dẫn hay kim loại. “Tốc độ chậm này dẫn đến một nghịch lý: làm thế nào để tBLG dẫn điện, chứ chưa nói đến siêu dẫn, nếu các electron di chuyển quá chậm?”

“Câu trả lời là hình học lượng tử,” cô nói.

Hình học thông thường đề cập đến cách các điểm hoặc đối tượng liên quan với nhau trong không gian – ví dụ, chúng cách nhau bao xa và chúng được kết nối như thế nào. Hình học lượng tử cũng tương tự, nhưng mô tả bản chất lượng tử của electron, không chỉ là hạt mà còn là sóng, và do đó có các hàm sóng, và cách các hàm sóng này kết nối và liên kết với nhau. Bockrath nói: “Sự đóng góp này hóa ra lại rất quan trọng để kích hoạt tính siêu dẫn. Thế giới vật lý. “Thay vì các electron chuyển động nhanh, các liên kết phong phú của các hàm sóng điện tử rất quan trọng.”

Hầu hết các chất siêu dẫn cho đến nay được mô tả bằng lý thuyết BCS (được đặt theo tên của những người khám phá ra nó, Bardeen, Cooper và Schrieffer). Lý thuyết này giải thích tại sao hầu hết các nguyên tố kim loại siêu dẫn bên dưới Tc: các electron fermionic của chúng ghép cặp với nhau để tạo ra boson gọi là cặp Cooper. Các boson này tạo thành một chất ngưng tụ kết hợp pha có thể chảy qua vật liệu dưới dạng siêu dòng không bị tán xạ và hiện tượng siêu dẫn là hệ quả của điều này.

Tuy nhiên, lý thuyết này không đạt được mục tiêu khi giải thích các cơ chế đằng sau chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Thật vậy, cơ chế làm cơ sở cho hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao được coi là một trong những vấn đề cơ bản chưa được giải quyết trong vật lý học.

Lau cho biết: “Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng các phương trình BCS cũng cần được sửa đổi cho các chất siêu dẫn như tBLG với các điện tích chuyển động rất chậm. Bockrath cho biết thêm: “Công trình của chúng tôi cũng có thể cung cấp các nguyên tắc hướng dẫn mới trong quá trình tìm kiếm các chất siêu dẫn mới có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn các loại đã biết”.

Giờ đây, nhóm sẽ tiếp tục điều tra tBLG để định lượng và hiểu vai trò của hình học lượng tử với sự cộng tác của các nhà lý thuyết.

Nghiên cứu được trình bày chi tiết trong Thiên nhiên.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý