「マジックアングル」を回すと、二層グラフェンが超伝導になります

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「マジックアングル」を回すと、二層グラフェンが超伝導になります
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Anonim
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米国と日本の科学者は、完全に炭素原子で作られた超伝導体を最初に製造しました。これを行うために、彼らは2層グラフェンを数ケルビンのオーダーの温度に冷却し、その最上層を「マジックアングル」で回転させました。記事はNatureに掲載されました。

十分に強力な冷却により、ほとんどの金属は超伝導状態になります。電気抵抗はゼロに低下し、磁場はボリュームから移動します。この振る舞いは、電子がフォノンを交換し、ペアに結合してボーズ・アインシュタイン凝縮を形成する、バーディーン・クーパー・シュリーファー(BCS)のノーベル理論の枠組みの中で説明できます。超電導のさまざまなメカニズムについて詳しくは、「臨界温度以下」の記事をご覧ください。

残念ながら、BCS理論は、数十ケルビンを超えない、十分に低い温度でのみ機能します。一方、前世紀の80年代半ばに、高温超伝導の現象が発見されました。これは、100〜150ケルビンのオーダーの温度まで持続します。現在、物理学者は、BCS理論またはその拡張のいずれによっても説明されていない高温超伝導体をかなり多く知っています。このような超伝導体は、型破りな超伝導と呼ばれています。現時点では、非伝統的な超伝導の統一理論はまだ構築されていません。これにより、科学者は室温で機能する超伝導体を開発できなくなり、新しいアプローチを探すようになります。

この記事では、Pablo Jarillo-Herreroが率いる科学者のチームが、2層グラフェンの型破りな超伝導の実験的観察について説明します。この超伝導の層は、小さな「マジック」角度のツイスト2層グラフェン(MA-TBG)によってシフトされます。 「マジック角」は、材料のフェルミ速度がゼロに低下する角度です。2層グラフェンでは、最初の「マジック角」は1.1度に近くなります。その特性の点では、システムはよく研究された銅酸化物(約160ケルビンの超伝導の以前の記録を保持していた)に似ていますが、その中の電荷キャリア(クーパー対)の密度は通常の2つよりも約1桁低くなっています次元の超伝導体であり、1平方センチメートルあたり約1011個の粒子です。同時に、調査中のサンプルの最大臨界温度は1.7ケルビンに達します。

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実験セットアップ図

実験サンプルを作成するために、科学者はシリコン基板上にグラフェンフレークを堆積し、最高品質のものを選択し、次にそれらに六方晶窒化ホウ素の薄層を適用しました。その後、科学者たちはマイクロポジショニングマシンを使用して窒化ホウ素層を持ち上げました。ファンデルワールス力のおかげで、グラフェンは窒化ホウ素に「付着」し、これによりグラフェンを2つの薄い層に分割し、1度程度の小さな角度で相互に回転させてから再付着させることができました。彼ら。その後、科学者たちは得られたMA-TBGを低温に冷却し、それに金電極を取り付けてその抵抗を測定しました。さらに、科学者たちは、型にはまらない超伝導の状態図を測定し、量子振動を見ました。

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MA-TBGの導電率の0.07ケルビンの温度での電荷キャリアの密度への依存性(a)。サンプルの抵抗の、1、16(b)および1、05(c)度の回転角でのキャリアの温度および密度への依存性

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サンプルの抵抗の横磁場の大きさおよび回転角1、16(a)および1、05(b)度での電荷キャリア密度への依存性

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層の回転角の2つの異なる値に対する抵抗の温度依存性

その結果、科学者たちは、特定の密度の自由電荷キャリア(下部電極に電圧を印加することで制御できる)で、MA-TBGが超伝導状態になり、臨界温度が約1.7ケルビンになることを発見しました。約0.05テスラの臨界磁場。回転角が「魔法」の値から外れると、材料の超伝導特性が低下しました。さらに、パラメータの特定の値で、MA-TBGはモット絶縁体の特性を示し、その抵抗は10キロオームのオーダーの値に増加しました。超伝導が発生する電荷キャリアの密度が、他の非従来型の超伝導体よりも約1桁低いことも注目に値します。

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層の回転角の2つの異なる値について、磁場の大きさと電流強度に対する微分抵抗の実験的に測定された依存性

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層の回転角の2つの異なる値に対する磁場の大きさと電流強度に対する微分抵抗の数値計算された依存性

MA-TBGの臨界温度Tcとフェルミ温度TFの比がTc / TF〜0.1にほぼ等しく、他の非伝統的な超伝導体の比に匹敵するのに対し、BCS理論で記述された超伝導体の場合はこれが興味深いことです。比率ははるかに小さい値を取ります…さらに、MA-TBGの臨界温度はTBEC温度から約0.37であり、この温度ですべての電荷キャリアが結合され、ボーズ・アインシュタイン凝縮を形成します。これは、二層グラフェンの電子間の非常に強い結合を示しています。

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TF-Tcパラメータ平面上のさまざまな半導体の位置。赤い点でマークされた新しい超伝導体

記事の著者は、彼らが調査したシステムはカスタマイズが非常に簡単であり、その結果は将来簡単に改善できると述べています。たとえば、大きな外圧が加えられると、2つの層間の混成が激しくなり、臨界温度が上昇する可能性があります。

現在、超電導の温度記録は硫化水素に属しています。通常の状態では通常のガスですが、圧力が約160ギガパスカル、温度が200ケルビン(摂氏-70度)を超えると超電導状態になります。

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