Yeni çalışma, neredeyse “donmuş” elektronlara sahip malzemelerde süper iletkenliğin nasıl ortaya çıkabileceğine dair önemli bilgiler sağlıyor.
Bir malzemede süper iletkenliğe yol açan yeni bir mekanizma Elektronların hızının neredeyse sıfır olduğu, Dallas’taki Texas Üniversitesi’ndeki bilim adamları ve Ohio Eyalet Üniversitesi’ndeki ortakları tarafından keşfedildi. Bu atılım, yeni süper iletkenlerin geliştirilmesinin yolunu açabilir.
Nature dergisinde yakın zamanda yayınlanan çalışmalarının sonuçları, elektron hızını hesaplamak için yeni bir yaklaşımı açıklıyor. Bu çalışma aynı zamanda kuantum geometrisinin herhangi bir malzemede süperiletkenliğe katkıda bulunan birincil mekanizma olarak kabul edildiği ilk örneği temsil ediyor.
Araştırmacıların üzerinde çalıştığı malzeme, bükülmüş iki katmanlı grafendir. Grafen, petek şeklinde periyodik olarak düzenlenmiş tek bir karbon atomu tabakasıdır. Bükülmüş çift katmanlı grafende, iki grafen tabakası hafif bir açısal bükülme ile üst üste istiflenir. UT Dallas Doğa Bilimleri ve Matematik Okulu’nda fizik doçenti ve çalışmanın yazarı Dr. Fan Zhang, prensip olarak belirli bir “sihirli” bükülme açısında, malzemedeki elektronların hızının sıfıra yaklaştığını söyledi. . Bir teorisyen olan Zhang ve ortak çalışanları daha önce bu tür sistemlerin benzersiz fiziksel özellikleri hakkında bir inceleme makalesi yayınlamışlardı.
“Geleneksel bir metalde, elektronların ortalama hızı iletkenlikten sorumludur ve bir süper iletkende, Zhang, “elektronlar, hiçbir direnç veya dağılma olmadan düzgün bir şekilde akmak için Cooper çiftlerine çiftleşiyor” dedi. “Buna karşılık, bükülmüş çift katmanlı grafende, elektronlar sıfıra yaklaşan bir hızla çok çok yavaş hareket eder. Ancak bu bir paradoks yaratır: Bu yavaş elektronlar, bırakın süper iletkenliği, elektriği nasıl iletebilirler?
“Süper iletkenlik başka bir şeyden gelmelidir. Kuantum geometrisinden kaynaklandığını belirledik.”
Yeni çalışma, neredeyse “donmuş” elektronlara sahip malzemelerde süperiletkenliğin nasıl ortaya çıkabileceğine dair önemli bilgiler sağlıyor.
Fizik liderliğindeki Ohio Eyaleti araştırmacıları profesörler ve çalışma yazarları Dr. Marc Bockrath, Dr. Jeanie Lau ve Dr. Mohit Randeria, sihirli açılı bükülmüş iki katmanlı grafenden bir cihaz ürettiler ve elektronlarının hızını ölçebildiler. Yoğun madde fizikçileri, malzemedeki elektronların hızını ve bunun süperiletkenliğe katkısını ölçmek için elektron-pozitron çiftlerinin bir elektrik alanı varlığında kendiliğinden yaratıldığı Schwinger etkisini kullandılar. Bulgular, göreli parçacık fiziğinde tahmin edilen ancak henüz gözlemlenmemiş bir fenomen olan Schwinger etkisinin herhangi bir süper iletkende ilk kez görüldüğüne işaret ediyor.
“Hızın, tüm süper iletkenler arasında bugüne kadarki en düşük hız olduğu ortaya çıktı. grafen sistemleri. Zhang’ın teori grubunda fizik doktora öğrencisi ve makalenin yazarı olan Tianyi Xu, şaşırtıcı bir şekilde, süperiletkenlik hala ortaya çıkabilir. “Elektron hızının nasıl ölçüleceğini bulmak önemliydi çünkü hızı belirlemek, onun süperiletkenliğe katkısını hesaplamamıza izin veren önemli bir adımdı. Katkının çok küçük olduğu ortaya çıktı.”
Deneysel ölçümler ve teorik analizler, süperiletkenliğe baskın katkının bunun yerine sıradan geometriye benzeyen ancak kuantum çok-cisim fiziğinden kaynaklanan kuantum geometrisinden geldiğini gösterdi.
“Normal, üç boyutlu uzayımızda bir balon düşünün. Zhang’ın eski bir yüksek lisans öğrencisi ve makalenin yazarı Patrick Cheung MS’22 PhD’22, “Tüm geometrik özellikleri, metrikler ve yüzeyinde tanımlanan eğrilik ile belirlenebilir” dedi. “Aynı şey kuantum elektronlarının yaşadığı uzay için de geçerli. Bu sözde Hilbert uzayında, kuantum geometrisi, bu çalışmada tartışılan süper iletkenlik ve önceki bir çalışmada gösterdiğimiz akıllı kuantum algılama gibi inanılmaz malzeme özelliklerine ve uygulamalarına yol açabilir.”
Süper iletkenlik etkinleştirildi kuantum geometrisine göre geleneksel olmayan bir mekanizmadır. Yeni bulgular, ortam basıncında 150 Kelvin’in (-123 santigrat derece veya -190 Fahrenheit derece) altında çalışan, yerleşik olanlardan daha yüksek sıcaklıklarda çalışan yeni süper iletkenleri keşfetmek ve tasarlamak için bir temel olabilir.
“A Xu, oda sıcaklığında çalışan yüksek sıcaklık süper iletkeni, uzun süredir yoğun madde ve malzeme fiziğinin kutsal kâsesi olmuştur” dedi. “Geliştirilebilirse, örneğin elektriği çok daha verimli bir şekilde taşıyabileceğimiz ve maglev trenlerini çok daha ucuza çalıştırabileceğimiz için yaşamlarımız ve toplumumuz tamamen yeniden şekillenecekti.”
Zhang ekledi: “Kuantum geometrisi harika ve zengin ve beklenmedik sonuçlara yol açar. Çok daha heyecan verici fizik keşfedilmeyi bekliyor.”
Referans: “Kuantum geometrisi tarafından etkinleştirilen Dirac düz bant süperiletkenliğine ilişkin kanıt”, Haidong Tian, Xueshi Gao, Yuxin Zhang, Shi Che, Tianyi Xu, Patrick Cheung, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Mohit Randeria, Fan Zhang, Chun Ning Lau ve Marc W. Bockrath, 15 Şubat 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-05576-2
{ 6}Ohio Eyalet Üniversitesi’ndeki araştırmacılara ek olarak, diğer yazarlar arasında Japonya’daki Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü’nden bilim adamları da vardı.
Çalışmaya katılan UTD araştırmacılarının finansmanı Ulusal Bilim Vakfı ve Ordu’dan geldi. ABD Ordusu Savaş Yetenekleri Geliştirme Komutanlığı Ordu Araştırma Laboratuvarı’nın bir bileşeni olan Araştırma Ofisi.