Forskning forudsiger højtemperaturtopologisk superledningsevne af snoede dobbeltlags kobberoxider

Todimensionelle (2D) materialer, såsom grafen eller overgangsmetal dichalcogenider, kan nogle gange samles i dobbeltlag med et twist mellem individuelle lag. I de seneste år, mange forskere har undersøgt egenskaberne af disse snoede dobbeltlagsstrukturer og deres potentielle fordele ved fremstilling af elektroniske enheder.

En forskergruppe ved University of British Columbia i Vancouver udførte for nylig en undersøgelse, der udforskede egenskaberne af snoede dobbeltlags kobberoxider. I deres papir, udgivet i Naturfysik , de forudsiger, at strukturer sammensat af to monolag-tynde d-bølge superledere vil udvise topologisk superledning ved høj temperatur.

"Twisted to-layer graphene har været et stort forskningsemne i løbet af de sidste par år, og vi tænkte på andre 2D-materialer, hvor twist-angle engineering kunne anvendes, "Marcel Franz, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Målet med vores arbejde, imidlertid, skulle afsløre noget ny fysik, ikke bare gentage, hvad andre har gjort i forbindelse med grafen. Efter flere falske starter, vi fokuserede på cuprate superledere, som deler nogle ligheder med grafen, såsom 2D grundlæggende struktur og lavenergi Dirac excitationer, men er også i mange henseender meget forskellige materialer."

Den mest bemærkelsesværdige forskel mellem grafen og cuprat-baserede superledere er, at de leder elektricitet uden modstand ved høje temperaturer. Denne egenskab kunne uden tvivl gøre dem mere velegnede til fremstilling af topologiske superledere.

I deres undersøgelse, Franz og hans kolleger fokuserede specifikt på enkeltlags cupratmaterialer, såsom Bi ₂ Sr ₂ CaCu ₂ O ₈₊₅ , som er kendt for at være en såkaldt d-bølge superleder. Dette betyder i det væsentlige, at dens rækkefølge-parameter skifter fortegn ved en 90-graders rotation, ligesom en d orbital i kemi.

"Det er denne superledende egenskab af kuprat, etableret for mere end 20 år siden, der understøtter fremkomsten af ​​topologisk superledning i et dobbeltlag af et sådant materiale, når det er samlet med et twist, " sagde Franz. "Vi konstruerede simple matematiske modeller, der beskriver denne situation, og de viser utvetydige beviser for robust topologisk fase, når vridningsvinklen er tæt på 45 grader."

Topologiske superledere er ekstremt sjældne, og forskere har indtil videre kun identificeret en håndfuld materialer, der kunne klassificeres som sådanne. I øvrigt, de fleste af de hidtil identificerede topologiske superlederkandidater når kun den topologiske tilstand ved meget lave temperaturer (dvs. under 1 grad Kelvin).

Franz og hans kolleger modellerede snoet Bi ₂ Sr ₂ CaCu ₂ O ₈₊₅ to-lags materialer og fandt ud af, at det kunne nå den topologiske fase ved temperaturer så høje som 80 Kelvin. Det faktum, at det kan komme ind i denne fase ved højere temperaturer, kan have bemærkelsesværdige fordele, da det kunne åbne op for nye muligheder for at studere topologisk superledning, potentielt muliggør udviklingen af ​​de første ægte højtemperatur topologiske superledere.

"Flere laboratorier rundt om i verden, inklusive forskere ved mit eget Stewart Blusson Quantum Matter Institute, forbereder i øjeblikket prøver af snoede højtemperatur-cuprater og forbereder sig på at kunne sondere efter signaturer af den undvigende topologiske fase, " sagde Franz. "Min gruppe er engageret i en betydelig indsats, der sigter på at give teoretisk støtte til disse eksperimenter, og det viser sig, at selvom den topologiske tilstand bør være robust til stede i disse prøver, dens signaturer kan være ret subtile. Gennem teoretisk modellering, vi arbejder nu på at forudsige karakteristisk adfærd af forskellige eksperimentelt målbare størrelser."

© 2021 Science X Network