Kvantna geometrija igra ključno vlogo pri omogočanju, da material, znan kot zvit dvoslojni grafen (tBLG), postane superprevodnik, kažejo novi poskusi fizikov na Državna univerza Ohio, Univerza v Teksasu v DallasuIn Nacionalni inštitut za znanost o materialih na Japonskem. Ugotovitev pomeni, da je treba široko uporabljene Bardeen–Cooper–Schriefferjeve (BCS) enačbe za superprevodnike spremeniti za materiale, kot je tBLG, ki imajo zelo počasne naboje. Prav tako lahko pomaga zagotoviti nova vodilna načela pri iskanju novih superprevodnikov, ki delujejo pri višjih temperaturah, pravijo raziskovalci.

Grafen je dvodimenzionalni kristal ogljikovih atomov, razporejenih v obliki satja. Ta tako imenovani "čudežni material" se ponaša s številnimi izjemnimi lastnostmi, vključno z visoko električno prevodnostjo, saj se nosilci naboja (elektroni in luknje) premikajo skozi ogljikovo mrežo pri zelo visokih hitrostih.

Leta 2018 so raziskovalci pod vodstvom Pablo Jarillo-Herrero z MIT je ugotovil, da ko sta dva taka lista postavljena drug na drugega z majhnim kotnim odstopanjem, tvorita strukturo, znano kot moiré superlattice. In ko zasučni kot med njima doseže (teoretično predviden) "magični kot" 1.08°, začne ta "zvita" dvoslojna konfiguracija kazati lastnosti, kot je superprevodnost pod določeno kritično temperaturo, T_c, – to pomeni, da prevaja elektriko brez upora.

Pod tem kotom se način gibanja elektronov v dveh sklopljenih ploščah spremeni, ker so zdaj prisiljeni organizirati se z isto energijo. To vodi do "ploskih" elektronskih pasov, v katerih imajo elektronska stanja popolnoma enako energijo kljub različnim momentom. Ta ploščata pasovna struktura naredi elektrone brez disperzije – to pomeni, da njihova kinetična energija postane popolnoma potlačena in se ne morejo premikati v mreži moiréja. Posledica tega je, da se delci upočasnijo skoraj do ustavitve in se lokalizirajo na določenih mestih vzdolž sklopljenih plošč.

Prevodni paradoks

V novem delu so raziskovalci pod vodstvom Marc Bockrath in Jeanie Lau, je pokazal, da se elektroni v tBLG premikajo s hitrostjo tako počasi okoli 700–1200 m/s. To se morda zdi hitro v konvencionalnih pogojih, vendar je dejansko faktor 1000 počasnejše od hitrosti elektronov v enoplastnem grafenu.

"Ta hitrost predstavlja notranjo hitrost za elektrone v tBLG in s tem tudi omejitev, koliko toka lahko nosi material, ne glede na to, ali je superprevoden ali kovinski," pojasnjuje Lau. "Ta počasna hitrost povzroča paradoks: kako tBLG prevaja elektriko, kaj šele superprevodnost, če se elektroni premikajo tako počasi?"

"Odgovor je kvantna geometrija," pravi.

Navadna geometrija se nanaša na to, kako so točke ali predmeti prostorsko povezani – na primer, kako daleč so narazen in kako so povezani. Kvantna geometrija je podobna, vendar opisuje kvantno naravo elektronov, ki niso le delci, ampak tudi valovi in ​​imajo torej valovne funkcije, ter kako se te valovne funkcije povezujejo in povezujejo. "Ta prispevek se je izkazal za ključnega pomena za omogočanje superprevodnosti, " pravi Bockrath Svet fizike. "Namesto hitro premikajočih se elektronov so pomembne bogate povezave valovnih funkcij elektronov."

Večina dosedanjih superprevodnikov je opisanih s teorijo BCS (poimenovano po njenih odkriteljih, Bardeenu, Cooperju in Schriefferju). Ta teorija pojasnjuje, zakaj je večina kovinskih elementov superprevodna pod njihovim T_c: njihovi fermionski elektroni se združijo in ustvarijo bozone, imenovane Cooperjevi pari. Ti bozoni tvorijo fazno koherenten kondenzat, ki lahko teče skozi material kot supertok, ki ne doživi sipanja, posledica tega pa je superprevodnost.

Kratki električni impulzi vklapljajo in izklapljajo superprevodnost v grafenu z magičnim kotom

Vendar pa teorija ne uspe, ko gre za razlago mehanizmov za visokotemperaturnimi superprevodniki. Mehanizem, na katerem temelji visokotemperaturna superprevodnost, dejansko velja za enega temeljnih nerešenih problemov v fiziki.

»Naši rezultati kažejo, da je treba enačbe BCS spremeniti tudi za superprevodnike, kot je tBLG, z zelo počasnimi naboji,« pravi Lau. "Naše delo lahko zagotovi tudi nova vodilna načela pri iskanju novih superprevodnikov, ki lahko delujejo pri višjih temperaturah od znanih," dodaja Bockrath.

Ekipa bo zdaj nadaljevala z raziskovanjem tBLG, da bi kvantificirala in razumela vlogo kvantne geometrije v sodelovanju s teoretiki.

Raziskava je podrobno opisana v Narava.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-could-help-make-twisted-bilayer-graphene-a-superconductor/