Nematisk ordning i vriden tvåskiktsgrafen. Kredit:Seiichiro Onari
Supraledare är material som leder elektrisk ström med praktiskt taget inget elektriskt motstånd alls. Denna förmåga gör dem extremt intressanta och attraktiva för en uppsjö av applikationer som förlustfria kraftkablar, elmotorer och generatorer, samt kraftfulla elektromagneter som kan användas för MRI-avbildning och för magnetiska svävande tåg. Nu har forskare från Nagoya University detaljerat den supraledande karaktären hos en ny klass av supraledande material, magisk vinkel vriden dubbelskiktsgrafen.
För att ett material ska bete sig som en supraledare krävs låga temperaturer. De flesta material går bara in i den supraledande fasen vid extremt låga temperaturer, såsom –270°C, vilket är lägre än de som mäts i yttre rymden. Detta begränsar avsevärt deras praktiska tillämpningar eftersom en sådan omfattande kylning kräver mycket dyr och specialiserad kylutrustning för flytande helium. Detta är huvudorsaken till att supraledande teknik fortfarande är i sin linda.
Högtemperatursupraledare (HTS), som vissa järn- och kopparbaserade exempel, går in i den supraledande fasen över -200°C, en temperatur som är lättare att uppnå med flytande kväve som kyler ner ett system till -195,8°C. De industriella och kommersiella tillämpningarna av HTS har dock hittills varit begränsade. För närvarande kända och tillgängliga HTS-material är spröda keramiska material som inte är formbara och inte kan göras till användbara former som trådar. Dessutom är de notoriskt svåra och dyra att tillverka. Detta gör sökandet efter nya supraledande material kritiskt och ett starkt forskningsfokus för fysiker som Prof. Hiroshi Kontani och Dr. Seiichiro Onari från Institutionen för fysik, Nagoya University.
Nyligen har ett nytt material föreslagits som en potentiell supraledare som kallas magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG). I MATBG kompenseras två lager av grafen, i huvudsak enstaka tvådimensionella lager av kol arrangerade i ett bikakegitter, av en magisk vinkel (cirka 1,1 grader) som leder till att rotationssymmetrin bryts och en symmetri av hög ordning bildas. känd som SU(4). När temperaturen ändras upplever systemet kvantfluktuationer, som vattenkrusningar i atomstrukturen, som leder till en ny spontan förändring i den elektroniska strukturen och en minskning av symmetri. Denna rotationssymmetribrytning är känd som det nematiska tillståndet, och det har varit nära förknippat med supraledande egenskaper i andra material.
I deras arbete publicerade nyligen i Physical Review Letters , Prof. Kontani och Dr. Onari använder teoretiska metoder för att bättre förstå källan till detta nematiska tillstånd i MATBG. "Eftersom vi vet att supraledning vid hög temperatur kan induceras av nematiska fluktuationer i starkt korrelerade elektronsystem som järnbaserade supraledare, kan en klargörande av mekanismen och ursprunget för denna nematiska ordning leda till designen och uppkomsten av supraledare med högre temperatur", förklarar Dr. Onari.
Forskarna fann att nematisk ordning i MATBG härrör från interferensen mellan fluktuationerna i en ny frihetsgrad som kombinerar dalens frihetsgrader och spinnfrihetsgraderna, något som inte har rapporterats från konventionella starkt korrelerade elektronsystem. Den supraledande övergångstemperaturen för vriden dubbelskiktsgrafen är mycket låg, vid 1K (–272 °C), men det nematiska tillståndet lyckas öka den med flera grader.
Deras resultat visar också att även om MATBG på vissa sätt beter sig som en järnbaserad högtemperatursupraledare, så har den också några distinkta egenskaper som är ganska spännande, såsom en nettoladdningsloopström som ger upphov till ett magnetfält i ett dalpolariserat tillstånd, medan slingströmmen upphävs av varje dal i det nematiska tillståndet. Dessutom kan formbarheten hos grafen också spela en viktig roll för att öka de praktiska tillämpningarna av dessa supraledare. Med en bättre förståelse för de underliggande mekanismerna för supraledning kommer vetenskap och teknik närmare en ledande framtid som verkligen är super.
Uppsatsen, "SU(4) Valley + Spin Fluctuation Interference Mechanism for Nematic Order in Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene:The Impact of Vertex Corrections," publicerades i tidskriften Physical Review Letters den 9 februari 2022. + Utforska vidare
