Illustration av ett moiremönster erhållet genom att överlägga två kvadratiska galler med en twist. För vissa "rimliga" vinklar, den resulterande strukturen är periodisk och kan genereras genom att montera skuggade kvadratiska områden bredvid varandra som golvplattor. Kredit:Can et al.
Tvådimensionella (2D) material, såsom grafen eller övergångsmetalldikalkogenider, kan ibland monteras i två lager med en vridning mellan enskilda lager. Under de senaste åren har många forskare har undersökt egenskaperna hos dessa tvinnade dubbelskiktsstrukturer och deras potentiella fördelar för tillverkning av elektroniska enheter.
En forskargrupp vid University of British Columbia i Vancouver genomförde nyligen en studie som undersökte egenskaperna hos vridna dubbelskiktade kopparoxider. I deras papper, publiceras i Naturfysik , de förutspår att strukturer som består av två monolager-tunna d-vågssupraledare kommer att uppvisa topologisk supraledning vid hög temperatur.
"Twisted bilayer graphene har varit ett stort forskningsämne under de senaste åren, och vi tänkte på andra 2D-material där vridvinkelteknik kunde tillämpas, "Marcel Franz, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Målet med vårt arbete, dock, skulle avslöja lite ny fysik, inte bara upprepa vad andra har gjort i samband med grafen. Efter flera falska starter, vi nollade in oss på cuprate superledare, som delar vissa likheter med grafen, såsom 2D grundstruktur och lågenergi Dirac-excitationer, men är också i många aspekter mycket olika material. "
Den mest anmärkningsvärda skillnaden mellan grafen och kupratbaserade supraledare är att de leder elektricitet utan motstånd vid höga temperaturer. Denna egenskap kan göra dem utan tvekan mer lämpliga för att tillverka topologiska superledare.
Förenklad kristallstruktur av tvinnad Bi2Sr2CaCu2O8+δ-bil. En viktig manifestation av topologisk supraledning är närvaron av topologiskt skyddade ”kantlägen”, representerade som röda och gröna pilar, som finns i vilken geometri som helst med kanter. Kredit:Can et al.
I deras studie, Franz och hans kollegor fokuserade specifikt på enskiktskoppratmaterial, som Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+8 , som är känd för att vara en så kallad d-våg superledare. Detta betyder i huvudsak att dess ordningsparameter ändrar tecken vid en 90-graders rotation, precis som en d orbital i kemi.
"Det är denna supraledande egenskap hos cuprate, etablerade för mer än 20 år sedan, som underbygger uppkomsten av topologisk supraledning i ett tvåskikt av ett sådant material när det monteras med en vridning, "Franz sa." Vi konstruerade enkla matematiska modeller som beskriver denna situation och de visar entydiga bevis för robust topologisk fas när vridningsvinkeln är nära 45 grader. "
Topologiska supraledare är extremt sällsynta, och forskare har hittills bara identifierat en handfull material som kan klassificeras som sådana. Dessutom, de flesta av de topologiska superledarkandidater som hittills hittats når bara det topologiska tillståndet vid mycket låga temperaturer (dvs. under 1 grad Kelvin).
Franz och hans kollegor modellerade vriden Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+8 tvåskiktsmaterial och fann att det kunde nå den topologiska fasen vid temperaturer så höga som 80 Kelvin. Det faktum att det kan komma in i denna fas vid högre temperaturer kan ha anmärkningsvärda fördelar, eftersom det kan öppna nya möjligheter för att studera topologisk supraledning, möjligen möjliggör utveckling av de första sanna högtemperatur topologiska superledarna.
"Flera labb runt om i världen, inklusive forskare vid mitt eget Stewart Blusson Quantum Matter Institute, förbereder för närvarande prover av vridna högtemperaturkuprater och förbereder sig för att kunna sondera efter signaturer av den svårfångade topologiska fasen, ", sa Franz. "Min grupp är engagerad i en betydande ansträngning som syftar till att ge teoretiskt stöd till dessa experiment och det visar sig att även om det topologiska tillståndet bör vara starkt närvarande i dessa prover, dess signaturer kan vara ganska subtila. Genom teoretisk modellering, vi arbetar nu med att förutsäga karaktäristiska beteenden av olika experimentellt mätbara storheter."
© 2021 Science X Network
