Vejledning af en superledende fremtid med grafenkvantemagi

Superledere er materialer, der leder elektrisk strøm med praktisk talt ingen elektrisk modstand overhovedet. Denne evne gør dem ekstremt interessante og attraktive til et væld af applikationer såsom tabsfrie strømkabler, elektriske motorer og generatorer samt kraftige elektromagneter, der kan bruges til MRI-billeddannelse og til magnetiske svævende tog. Nu har forskere fra Nagoya University detaljeret den superledende karakter af en ny klasse af superledende materiale, magisk vinkel snoet dobbeltlagsgrafen.

For at et materiale kan opføre sig som en superleder kræves lave temperaturer. De fleste materialer går kun ind i den superledende fase ved ekstremt lave temperaturer, såsom -270°C, hvilket er lavere end dem, der måles i det ydre rum. Dette begrænser i høj grad deres praktiske anvendelser, fordi en så omfattende køling kræver meget dyrt og specialiseret flydende heliumkøleudstyr. Dette er hovedårsagen til, at superledende teknologier stadig er i deres vorden.

Højtemperatursuperledere (HTS), såsom nogle jern- og kobberbaserede eksempler, går ind i den superledende fase over -200°C, en temperatur, der er lettere opnåelig ved hjælp af flydende nitrogen, som afkøler et system til -195,8°C. Imidlertid har HTS' industrielle og kommercielle anvendelser hidtil været begrænsede. Aktuelt kendte og tilgængelige HTS-materialer er sprøde keramiske materialer, der ikke er formbare og ikke kan laves til brugbare former som ledninger. Derudover er de notorisk svære og dyre at fremstille. Dette gør søgningen efter nye superledende materialer kritisk og et stærkt forskningsfokus for fysikere som Prof. Hiroshi Kontani og Dr. Seiichiro Onari fra Institut for Fysik, Nagoya Universitet.

For nylig er et nyt materiale blevet foreslået som en potentiel superleder kaldet magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG). I MATBG er to lag grafen, i det væsentlige enkelte todimensionelle lag af kulstof arrangeret i et bikagegitter, opvejet af en magisk vinkel (ca. 1,1 grader), der fører til brud på rotationssymmetri og dannelse af en højordens symmetri kendt som SU(4). Når temperaturen ændres, oplever systemet kvanteudsving, som vandbølger i atomstrukturen, der fører til en ny spontan ændring i den elektroniske struktur og en reduktion i symmetri. Denne rotationssymmetribrud er kendt som den nematiske tilstand, og den har været tæt forbundet med superledende egenskaber i andre materialer.

I deres arbejde offentliggjort for nylig i Physical Review Letters , Prof. Kontani og Dr. Onari bruger teoretiske metoder til bedre at forstå kilden til denne nematiske tilstand i MATBG. "Da vi ved, at højtemperatursuperledning kan induceres af nematiske fluktuationer i stærkt korrelerede elektronsystemer såsom jernbaserede superledere, kan afklaring af mekanismen og oprindelsen af ​​denne nematiske orden føre til design og fremkomst af højere temperatur superledere," forklarer Dr. Onari.

Forskerne fandt ud af, at nematisk orden i MATBG stammer fra interferensen mellem fluktuationerne i en ny frihedsgrad, der kombinerer dalens frihedsgrader og spin-frihedsgrader, noget der ikke er blevet rapporteret fra konventionelle stærkt korrelerede elektronsystemer. Den superledende overgangstemperatur for snoet dobbeltlagsgrafen er meget lav ved 1K (–272°C), men den nematiske tilstand formår at øge den med flere grader.

Deres resultater viser også, at selvom MATBG på nogle måder opfører sig som en jernbaseret højtemperatursuperleder, har den også nogle distinkte egenskaber, der er ret spændende, såsom en netto ladestrøm, der giver anledning til et magnetfelt i en dalpolariseret tilstand, mens sløjfestrømmen ophæves af hver dal i nematisk tilstand. Desuden kan formbarheden af ​​grafen også spille en vigtig rolle i at øge de praktiske anvendelser af disse superledere. Med en bedre forståelse af de underliggende mekanismer for superledning, kommer videnskab og teknologi tættere på en ledende fremtid, der i sandhed er super.

Artiklen, "SU(4) Valley + Spin Fluctuation Interference Mechanism for Nematic Order in Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene:The Impact of Vertex Corrections," blev offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters den 9. februar 2022. + Udforsk yderligere

Charge-density-wave inducerer elektronisk nematicitet i Kagome superleder