Ohio Eyalet Üniversitesi’ndeki fizikçiler, grafenin elektriğin süper iletkeni olma potansiyeli hakkında daha fazla şey öğrendiler.
Bilim adamları, kuantum geometrisini işlemek için çok önemli buluyor.
Araştırmacılar, grafenin belirli bir açıyla büküldüğünde elektriği enerji kaybı olmadan hareket ettiren bir süper iletken haline gelebileceğine dair yeni kanıtlar üretti.
15 Şubat 2023’te yayınlanan bir çalışmada, Journal Nature’da, Ohio Eyalet Üniversitesi’ndeki fizikçilerin liderliğindeki ekip, kuantum geometrisinin bu bükülmüş grafenin bir süper iletken haline gelmesine izin vermede oynadığı kilit rolü bulduklarını bildirdi.
Grafen, tek bir karbon atomu katmanıdır, kurşun kalemde bulunan kurşun.
2018’de Massachusetts Institute of Technology’deki bilim adamları, doğru koşullar altında grafenin bir parça grafenin diğer parçanın üzerine yerleştirilmesi durumunda süper iletken olabileceğini keşfettiler. ve katmanlar belirli bir açıyla – 1,08 derece – büküldü – yarat Ohio Eyaletinde fizik profesörü ve şu kitabın ortak yazarı Marc Bockrath, “O zamandan beri, bilim adamları bu bükülmüş çift katmanlı grafen üzerinde çalışıyor ve bu “sihirli açının” nasıl çalıştığını anlamaya çalışıyorlar, dedi. Nature makalesi.
“Geleneksel süperiletkenlik teorisi bu durumda işe yaramaz,” dedi Bockrath. “Bu malzemenin neden bir süper iletken olduğunun kökenini anlamak için bir dizi deney yaptık.”
Geleneksel bir metalde iletkenlikten yüksek hızlı elektronlar sorumludur.
Ancak bükülmüş iki katmanlı grafen “düz bant” olarak bilinen ve elektronların çok yavaş hareket ettiği, aslında açı tam olarak sihirli olandaysa sıfıra yaklaşan bir hızda hareket ettiği bir tür elektronik yapıya sahiptir.
Geleneksel teoriye göre Aynı zamanda Ohio Eyaletinde fizik profesörü olan çalışmanın ortak yazarı Jeanie Lau, süperiletkenlik, bu kadar yavaş hareket eden elektronların elektriği iletmemesi gerektiğini söyledi.
Kağıdın ilk yazarı Haidong Tian ve Lau’nun araştırma grubundaki bir öğrenci, sihirli açıya o kadar yakın bir cihaz elde etmeyi başardı ki, elektronlar olağan yoğun madde fiziği standartlarına göre neredeyse durduruldu. Örnek yine de süperiletkenlik gösterdi.
“Bu bir paradoks: Bu kadar yavaş hareket eden elektronlar, bırakın süper iletkenliği, nasıl elektriği bile iletebiliyor? Bu çok dikkat çekici,” dedi Lau.
Araştırma ekibi deneylerinde elektronların yavaş hızlarını gösterdiler ve elektron hareketinin daha önce mümkün olandan daha kesin ölçümlerini verdiler.
Ve ayrıca bu grafen malzemesini neyin bu kadar özel yaptığına dair ilk ipuçlarını da buldular.
Bockrath, “Bükülmüş iki katmanlı grafenin nasıl çalıştığını açıklamak için elektronların hızını kullanamayız,” dedi. “Bunun yerine kuantum geometrisini kullanmak zorunda kaldık.”
Kuantumla ilgili her şeyde olduğu gibi, kuantum geometrisi de karmaşıktır ve sezgisel değildir. Ancak bu çalışmanın sonuçları, bir elektronun yalnızca bir parçacık değil, aynı zamanda bir dalga olduğu ve bu nedenle dalga fonksiyonlarına sahip olduğu gerçeğiyle ilgilidir.
“Kuantum dalga fonksiyonlarının geometrisi, düz bantlarla birlikte Ohio Eyaletinde fizik profesörü olan ortak yazar Mohit Randeria, elektronlar arasındaki etkileşim, elektrik akımının iki katmanlı grafende dağılma olmadan akışına yol açar.
“Geleneksel denklemlerin belki %10’u açıklayabildiğini bulduk. bulduğumuz süperiletkenlik sinyalinin Deneysel ölçümlerimiz, bunu bir süper iletken yapan şeyin %90’ının kuantum geometrisinden kaynaklandığını gösteriyor,” dedi Lau.
Bu malzemenin süper iletken etkileri yalnızca aşırı düşük sıcaklıklarda yapılan deneylerde bulunabilir. Bockrath, nihai hedefin, elektrik iletimi ve iletişim gibi gerçek dünya uygulamalarında potansiyel olarak faydalı olacak yüksek sıcaklık süper iletkenliğine yol açan faktörleri anlayabilmektir.
“Öyle olurdu. toplum üzerinde büyük bir etkisi var” dedi. “Uzun bir yol ama bu araştırma, bunun nasıl olabileceğini anlama konusunda bizi kesinlikle ileriye götürüyor.”
Referans: “Dirac düz bant süperiletkenliğinin kuantum geometrisi tarafından etkinleştirildiğine dair 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
Yüksek lisans öğrencileri Tian, Xueshi Gao, Yuxin Zhang ve Shi Che’nin de dahil olduğu Bockrath ve Lau deney grupları, Ohio Eyaletinden teorisyenler Randeria ve Tianyi Xu ile işbirliği yaptı. Patrick Cheung ve F. Zhang ile Dallas’taki Texas Üniversitesi’nden ve Japonya’daki Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü’nden bilim adamlarıyla birlikte.
Çalışma Ohio Eyaleti, Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi tarafından desteklenmiştir. Acil Malzemeler Merkezi, Ulusal Bilim Vakfı MRSEC ve Ordu Araştırma Ofisi.