Gündem

Bir grafen sistemindeki süper iletkenlik, güçlü bir manyetik alandan kurtulur

0

Süperiletkenler olarak bilinen maddenin kuantum fazları, elektrik akımını sıfır dirençle iletir. Mikroskobik olarak, bu fenomen, elektronların Cooper çiftleri olarak adlandırılan, enerji kaybı olmadan toplu ve işbirliği içinde hareket eden iki elektronlu durumlara bağlanmasının enerji açısından elverişli olduğu gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Bir Cooper çiftinin iki elektron dönüşü (içsel açısal momentum) zıt yönleri gösterdiğinde ve çiftin toplam dönüşü sıfır olduğunda, spin üçlüsü Cooper çiftlerinin toplam dönüşü 1 olduğunda ve ikisinin spin-tekli olduğu söylenir. elektron spinleri aynı yönde hizalanabilir. Deneysel olarak bilinen çoğu süperiletkenin spin-tekli Cooper çiftleri vardır; bunlar, geleneksel süper iletkenlik gösteren metalleri (kurşun ve niyobyum gibi) ve geleneksel olmayan süper iletkenlik sergileyen kupratları (katmanlı bakır oksit bileşikleri) içerir. yazmak Doğa, Yüksek ve diğerleri1 spin-üçlü Cooper çiftleriyle ilişkili geleneksel olmayan süperiletkenlik kanıtlarını rapor edin.

İki boyutlu spin üçlü süperiletkenler, birçoğunun Majorana sıfır modları adı verilen egzotik sıfır enerji uyarılarına ev sahipliği yapacağı tahmin edildiğinden, yaygın ilgi gördü. Böyle bir süperiletkenin iyi çalışılmış bir örneği, bir 2D kiraldir. p-dalga süperiletken2. Bu sistem, zamanın tersine çevrilmesi simetrisini bozar (zamanın yönü tersine çevrilirse fiziksel özellikleri değişir) ve bir manyetik alan dikey olarak uygulandığında girdapların çekirdeklerinde (manyetik akı iplikleri) Majorana sıfır modlarının olması beklenir. sistem. Majorana sıfır modları, topolojik kuantum hesaplama olarak bilinen bir tür ‘hataya dayanıklı’ kuantum hesaplamasının yapı taşları olan topolojik kübitler için umut verici adaylardır.3,4. Bu nedenle, bilinen çoğu spin üçlü süperiletkenin 3B olduğu göz önüne alındığında, deneysel olarak oluşturulmuş 2B spin üçlü süperiletkenler çok arzu edilir.

Son dört yılda, deneyciler, yığılmış ancak hafifçe yanlış hizalanmış grafen katmanlarından – altıgen olarak düzenlenmiş tek karbon atomlu tabakalardan oluşan yarı-2D sistemleri araştırmaya başladılar (örneğin, referanslar 5 ve 6’ya bakınız). Bu tür sistemler, deneysel olarak kolayca ayarlanabildikleri ve zengin çeşitlilikte ilişkili kuantum fazlarını barındırabildikleri için hızla dikkat çekmiştir. Bu yılın başlarında, bükülmüş üç katmanlı grafende süper iletkenlik rapor edildi7,8, üst ve alt katmanların açılarda döndürüldüğü üç yığılmış grafen katmanından oluşur. θ ve – θ, sırasıyla orta katmana göre (Şekil 1). değerini ayarlayarak θ, bükülmüş üç katmanlı grafen içindeki fizik, elektronların birbirine esasen zayıf bir şekilde bağlandığı bir rejimden, güçlü bir şekilde birleştiği rejime kadar değişen rejimlerde araştırılabilir.

Şekil 1

Şekil 1 | Bükülmüş üç katmanlı grafende süper iletkenlik. birSihirli açılı bükülmüş üç katmanlı grafen (MATTG), göreli bir dönüş açısı ile istiflenmiş, altıgen olarak düzenlenmiş karbon atomlarından oluşan üç tabakadan oluşan bir sistemdir. θ yaklaşık 1,6°. b, Süperiletkenlik, elektronların Cooper çiftleri adı verilen iki elektronlu durumlara bağlanmasından kaynaklanır. Bir spin-singlet Cooper çiftinde, elektron spinleri (içsel açısal momentum) zıt yönleri gösterir; bir spin üçlü Cooper çiftinde, aynı yönde hizalanabilirler. cMalzemenin düzleminde güçlü bir manyetik alanın varlığında, bir spin-tekli Cooper çifti parçalanır, çünkü Zeeman etkisi olarak bilinen bir fenomen, dönüşlerin aynı yönde hizalanmasına neden olur. Buna karşılık, bir spin-üçlü Cooper çifti böyle bir alanda hayatta kalabilir. Cao ve diğerleri1 MATTG’deki süperiletkenliğin güçlü bir düzlem içi manyetik alan altında devam ettiğini buldu ve bu gözlemin spin-üçlü Cooper çiftleri için kanıt olduğunu öne sürdü.

Yüksek ve diğerleri ne zaman bükülmüş üç katmanlı grafen çalıştı θ yaklaşık 1,6°’lik ‘sihirli’ açıya eşittir – sistemin güçlü kuplaj rejimine girmesinin beklendiği açı. Bu tür sihirli açılı bükülmüş üç katmanlı grafen (MATTG) içinde süperiletkenliği gözlemlediler ve bu süperiletkenliğin dönüş özelliklerini incelediler. Spesifik olarak, düşük sıcaklıklarda (1 kelvin’in altına kadar) MATTG’nin elektrik direncini ölçtüler ve sıfır dirençli bir faz keşfettiler. Daha sonra grafen katmanlarının düzleminde MATTG’ye bir manyetik alan uyguladılar ve gözlemlenen süperiletkenliğin kaybolduğu kritik alan gücünü belirlediler. Süperiletkenliğin, spin-tekli süperiletkenler için beklenmeyen, yaklaşık 10 tesla’lık şaşırtıcı derecede yüksek kritik alan gücüne kadar hayatta kaldığını buldular.

Manyetik alanlar, bir süperiletkendeki Cooper çiftlerinin yörünge açısal momentumu ve dönüşüyle ​​birleşir. Bir yarı-2D süperiletkene güçlü bir düzlem içi alan uygulandığında, yörünge etkisi ihmal edilebilir. Bununla birlikte, Pauli limiti olarak adlandırılan bir alan kuvvetinin üzerinde, dönüş etkisi, elektron dönüşleri zıt olarak hizalanmış olan spin-singlet Cooper çiftlerinin parçalanmasına neden olma eğilimindedir, çünkü Zeeman etkisi olarak bilinen bir fenomen, dönüşlerin aynı noktayı göstermesine neden olur. yön (Şekil 1). Buna karşılık, alana paralel tek bir yönde hizalanmış elektron dönüşlerine sahip spin üçlü Cooper çiftleri, böyle bir dönüş etkisi ile uyumludur ve Pauli limitine bağlı değildir. Cao tarafından ölçülen düzlem içi kritik alan gücü ve diğerleri MATTG’de Pauli sınırının iki ila üç katıdır ve bu nedenle spin üçlüsü süperiletkenliğin kanıtı olarak kabul edilir.

Cao ve meslektaşları ayrıca, ilkinden daha yüksek düzlem içi manyetik alan kuvvetlerinde bulunan ve 10 tesla’nın üzerinde devam eden ikinci bir süper iletken faz tespit ettiler. MATTG’nin direnç davranışı temelinde, alan kuvveti azaldığında karşılaştırıldığında, yazarlar, iki fazın birinci dereceden faz geçişi adı verilen bir tür faz geçişi ile bağlanabileceğini öne sürüyorlar. Bu tür “yeniden giren” süperiletkenlik, uranyum rodyum germanyum gibi bazı 3D spin üçlü süperiletkenlerde gözlemlenenleri andırıyor.9 ve uranyum tellür10, ve spin üçlü süperakışkanda (sıfır viskoziteli sıvı) helyum-311. Bu benzerlik, MATTG’deki iki süperiletken fazın doğası hakkında ipuçları sağlayabilir.

Yazarlar tarafından MATTG’de yarı-2D spin-üçlü süperiletkenlik için bildirilen kanıtlar, deneysel olarak manipüle edilebilecek geleneksel olmayan süper iletkenlerin yolunu açıyor. Yüksek düzlem içi kritik alan kuvvetleri tipik olarak spin üçlü Cooper çiftlerinden farklı şekillerde gelişebilir. Ancak, grafen içindeki elektronların spin ve yörünge açısal momentumu arasındaki ihmal edilebilir bağlantı nedeniyle bu kaynakların MATTG’de meydana gelmesi olası değildir. Bununla birlikte, MATTG’deki Cooper çiftlerinin yörünge yapısının spin-üçlü süperiletkenlik ile tutarlı olup olmadığını göstermek için daha fazla ölçüme ihtiyaç vardır.

En önemlisi, spin üçlüsü olmak, gözlemlenen süperiletkenliğin topolojik kuantum hesaplama için faydalı olacağı anlamına gelmez. Gelecekteki çalışmaların süperiletkenliğin topolojik özelliklerini incelemesi gerekiyor. Örneğin, araştırmacılar bunun zaman-ters simetriyi bozup bozmadığını belirlemelidir – olası kiral bir göstergedir.p-dalga süperiletkenliği. Ayrıca, Majorana sıfır modlarının varlığına işaret edecek olan girdap çekirdeklerinde sıfır enerji durumlarının doğrudan kanıtını aramalılar. Bu tür çalışmalardan elde edilen anlayış, fizikçilerin topolojik kuantum hesaplama için umut verici platformlar geliştirmelerine yardımcı olabilir.

Rekabet İlgi Alanları

Yazar, rekabet eden çıkarlar beyan etmemektedir.

Profesör

Saksı yetiştiriciliğinin ilk çiçek açtığı şaşırtıcı yer: Araştırmanın Öne Çıkanları

Previous article

Kompakt X-ışını lazerlerine bir adım daha yakın

Next article

You may also like

Comments

Comments are closed.

More in Gündem