グラフェンモアレ超格子の超伝導は調整可能であることが判明

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グラフェンモアレ超格子の超伝導は調整可能であることが判明
グラフェンモアレ超格子の超伝導は調整可能であることが判明
Anonim
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窒化ホウ素シートの間に配置された3層グラフェンで作られた超格子の実験的研究により、金属状態からモット絶縁体へ、そしてそれから超伝導体への相転移を検出することが可能になりました。これにより、このような構造は、高温超伝導体などの相関性の高いシステムの物理学を研究するための理想的な候補になります。このような物質の主な利点は、電子パラメータを変更できることです、と著者はジャーナルScienceに書いています。

高温超伝導(HTSC)は、物性物理学で最も差し迫ったトピックの1つです。絶対零度に近い温度で抵抗が消失する標準的な超伝導体は、バーディーン-クーパー-シュリーファー理論によって十分に説明されています。しかし、100ケルビンを超える温度でこのような状態になる化合物については、本格的な理論はまだ存在していません。この状況は、理論家の観点からは不十分であるだけでなく、これまで以上に高温の超伝導体の開発を妨げることにもなり、記録的な事例の発見は偶然の発見に関連しています。

提案されたアプローチの1つは、ハバードモデルを介してHTSCをドープされたモット誘電体に接続します。モット絶縁体は、電気伝導率の標準理論によれば、導体である必要がありますが、実際には、電子間の強い相互作用のために電流を伝導しません。ハバードモデルは、物性物理学の近似であり、結晶格子内の異なる位置間の電子のジャンプと、それらが同じサイトに衝突したときの相互作用を記述します。しかし、モット誘電体の場合の理論的解決は、電子の強い相互作用のために非常に困難であることがわかります。

ローレンスバークレー国立研究所のFengWangが率いる中国、米国、韓国、日本の物理学者のチームによる記事は、そのようなシステムの詳細な研究を示しています。著者のアイデアは、同様の六角形構造を持つ2つの窒化ホウ素層の間に3つのグラフェンシートの超格子を配置することです。 2つの化合物の原子間の距離が異なるため、場所によっては厳密に上下していることがわかり、隣接する化合物ではわずかにずれており、約10ナノメートル後に再び一致して、特徴的なモアレパターンを形成します。その結果、電子の相互作用の強さを制御できるヘテロ構造が得られます。以前、同じチームがこの可能性を理論的に実証し、新しい作業でそのアイデアを実験で実装しました。

著者らは、構造の側面に金属接点を配置し、グラフェンに1つ持ってきました。このようにして、2つのゲートを備えたトランジスタが得られ、垂直電界によって各モアレセル内の電子の濃度を制御することが可能になりました。物理学者は、さまざまな温度で得られた構造を使って実験を行いました。 5ケルビンで、金属特性の導体からモット絶縁体に変わり、40ミリケルビン未満に冷却すると、抵抗が急激に低下しました。ただし、これは、電子相互作用の強度を制御する、ナノメートルあたり0.5ボルトの勾配を持つ強力な垂直電界が適用された場合にのみ発生しました。そのような複雑なシステムの相互作用の一般的な理論がないため、著者は、パラメーターの望ましい値を与える前に、多くの実験を実行する必要がありました。

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2つのゲートを備えた結果のトランジスタの概略図

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窒化ホウ素層(赤と青)間のグラフェン(灰色)のモアレ構造。緑の円はモアレ超格子のノードを示しています。

超伝導の異常なバージョンは、比較的最近、2層グラフェンで発見されました。そのシートの1つは、1、1度の「マジック角」で回転しています。ただし、この場合、パラメータを制御することはできません。著者らは、彼らのアプローチにはいくつかの利点があると述べています。第一に、三層構造により、垂直電場によって電子の相関度を制御することが可能であり、第二に、超格子のモアレパターンが、シート回転を伴うグラフェンの場合よりも均一である。新しいシステムは、層間の角度にあまり依存しないため、自由度が増します。

最近、科学者たちは、クラインのパラドックス、つまり、超伝導状態のトポロジカル導体の場合のポテンシャル障壁の存在下での理想的なトンネリングを実験的に記録しました。物理学者はまた、摂氏-23度の温度で水素化ランタンの超伝導性を確認しました。電気抵抗のない別の珍しいシステムは、穴が豊富な銅銅バリウムでした。

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