魔法の3層グラフェンがパウリの限界を克服し、超伝導を取り戻しました

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魔法の3層グラフェンがパウリの限界を克服し、超伝導を取り戻しました
Anonim
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3層グラフェンのモアレパターン

米国と日本の物理学者は、マジック角でねじれた3層グラフェンの超伝導が、理論的に予測されたスピン一重項ペアリングのパウリ限界の2〜3倍の磁場に耐えることができることを発見し、リエントリーの効果も記録しました。絶対零度に近い温度での超伝導。これらおよび他の実験結果は、3層グラフェンがスピン一重項超伝導体(バーディーン-クーパー-シュリーファー理論によって記述された最も一般的な超伝導体)に属していないことを示しています。記事はNatureに掲載されました。

多くの化合物は超伝導を示すことが知られています-臨界温度以下で抵抗がゼロであるという特性。このリストには、単純な元素と合金に加えて、セラミック、ニクチド鉄、水素化物、および有機化合物が含まれています。 3年前、MITのPablo Jarillo-Herreroが率いる物理学者のグループが、シートが1.1度のマジック角で回転する2層グラフェンの1.7ケルビンで超伝導を発見しました。この層のねじれにより、二層グラフェンの電子の運動量へのエネルギーの依存性が平坦になり、六角形の中心にある両方の格子のセルの最大一致の谷に局在化することができます。モワレ超格子の。この設計の利点の1つは、実験を中断することなく超伝導体の電荷キャリアの密度を調整できることです。これにより、超伝導の状態図を詳細に調べることができます。相図と「奇妙な金属」特性により、魔法の角度で回転した2層グラフェンが銅酸化物に似ていることは注目に値します。これは大気圧で記録を保持する高温超伝導体です。この研究は科学界に大きな反響を呼び、グラフェンの超伝導の根本原因に関する30以上の理論的研究が発表され、フォノン仮説について他の資料に書きました。

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マジック角で回転した2層グラフェンの運動量、モアレパターンおよびモアレ超格子のノード(黄色のスポット)への電子エネルギーの依存性

昨年、同じ著者が3層グラフェンの超伝導を調査しました。中間層を他の2つに対して1.57度のマジック角で回転させたときに、最大超伝導温度は2.9ケルビンでした。電子エネルギーの運動量依存性の観点から、このような構造は、2の根で割った3層グラフェンのマジック角によってねじれた孤立グラフェンと2層グラフェンの層に還元することができます。ここでの電子構造の調整はより広くなり、印加された電界に応じてグラフェンの特性を研究できるようになりました。さらに、改善された調整の助けを借りて、物理学者は化合物を超強力な結合の状態にすることができました。これにより、化合物は最も緊密に結合した超伝導体として知られ、ボーズ・アインシュタイン凝縮への遷移に近づきました。

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3層グラフェンの電子構造と1層および2層グラフェンとの関係

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実験装置の概略図と、ゼロで電場をオンにした3層グラフェンの運動量に対する電子エネルギーの依存性:紫は単一グラフェンに対応する分散を示し、オレンジは2層グラフェンを示します。

ほとんどの超伝導材料(BCS理論で記述されているものを含む)では、スピン一重項ペアリングが優勢です-これは、クーパー対の電子のスピンが反対方向に向けられ、ペアに入る電子の運動量も反対方向に向けられ、フェルミ面近くの薄層。磁場がオンになると、ゼーマン効果が発生します。反対のスピンと等しいエネルギーを持つ電子のエネルギーは、磁場の強さに比例した量だけ発散します。これにより、クーパー対の数が減り、超伝導が破壊されます。臨界温度TcとLande乗数g = 2を使用したBCS理論での正確な計算により、超伝導相が消失する臨界場の値BP = 1.86Tcが得られます。このような場はパウリの排他原理と呼ばれます。

新しい研究では、同じグループの科学者が3層の魔法のように回転したグラフェンの研究を続け、パウリの限界を克服する予期しない能力があることを発見しました。サンプルの超伝導に関する詳細情報を取得するために、物理学者はグラフェンプレートに平行に2つの電極を設置し、印加電圧に応じて、電気誘導Dの固定値で、充填パラメーターνを数値に等しく調整しました。モアレセル内の電子の。平行に印加された磁場、温度、および充填パラメータの関数としてのサンプル抵抗の測定により、10テスラの超伝導領域が明らかになりました。これは、パウリの限界を2〜3倍上回っています。

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抵抗対磁場、充填パラメータ、および温度のプロットでのグラフェンのパウリ限界の違反

実験者は、スピン一重項超伝導体のパウリの限界違反は通常、強いスピン軌道相互作用(電子スピンとそれ自体の軌道運動との相互作用)が原因で発生し、物質の超伝導特性に大きな影響を与える可能性があることに注意しますが、グラフェンではこの相互作用必要以上に30倍弱いです。スピン一重項超伝導体の磁場に対する抵抗率が過大評価されているもう1つの理由は、クーパー対とは異なり、総運動量がゼロではないラーキン-オブチンニコフ-フルデ-フェレル対(FFLO対)の形成である可能性がありますが、この影響によるものです。 、パウリの限界を40パーセント以上超えることはできません(科学者は時々臨界磁場の増加を観察しました)。 3番目のオプション-電子の分子間結合のために制限を超えることも、実験データで失敗します。この効果を説明するための既知のメカニズムの適用不可能性により、著者は、魔法の3層グラフェンの超伝導がスピン三重項特性を持っているという仮説を立てました-電子は1に等しい総スピンを持つペアを形成します(超伝導のさまざまなメカニズムについてはすでに書いています)記事「臨界温度以下」)。

理論的には、この仮説は次の理由で裏付けられます。三重項超伝導体では、秩序パラメーターのスピン配置は複素ベクトルによって記述されます NS、および外部磁場に対するスピン三重項状態の反応 NS 間の角度に依存します NSNS..。並列の状態 NSNS スピン一重項超伝導の場合のように完全に抑制されますが、ESP(等スピンペアリング)状態では、ベクトルが NS 垂直にある NS、フィールドにまったく反応しないでください。ただし、これらの状態でさえ最終的には破壊されます。マジック角のあるグラフェンシステムでは、追加のスピン自由度により、軌道効果によるペア破壊の効果が生じる可能性があります。したがって、ESP三重項状態は、パウリの排他原理の大幅な違反が許容される状態の実行可能な候補となる可能性があります。

科学者たちはまた、2ケルビン未満の温度で5テスラを超える磁場への抵抗の依存性を測定し、リエントリー超伝導を発見しました-磁場の増加が超伝導の破壊、その再現、そして十分に最終的な破壊につながる現象高磁場。抵抗の磁場、電場D、および0.4ケルビンの固定温度での充填パラメータへの依存性のより詳細な研究により、複雑な遷移構造が明らかになりました。大きな超伝導領域の間に小さな超伝導アイランドが観察されます(SC-IおよびSC-II)。

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磁場Dの固定値での抵抗対磁場、温度、および電流のプロットにおけるグラフェンの可逆的超伝導

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抵抗対磁場、温度、場D、および充填パラメータのプロットにおけるグラフェンの可逆超伝導

以前は、UPt3、UGe2、UTe2などのウラン化合物でリエントリー超伝導が観察されていました。これらの化合物の超伝導はおそらくスピン三重項の性質であり、科学者によって提唱された仮説の正しさを私たちに確信させていることは注目に値します。

3層の魔法のように回転したグラフェンを、高磁場に耐えることができる他の超伝導体、および超流動ヘリウム3と比較すると、物理学者は、低磁場(SC-I)と戻り相(SC -II)は、第1属の相転移である可能性があり、相は明らかにスピン三重項であり、異なる次数パラメーターを持っています。著者らは、将来の研究により、化合物のさまざまな超伝導相におけるペアプロセスの全体像が提供されることを期待しています。

先ほど、2層グラフェンの他の異常な能力についてお話しました。それは異常な磁石に変わり、ダイヤモンドの特性を獲得し、半導体になる可能性があります。

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