Vadi dengesiz eşkenar dörtgen grafende olağandışı süperiletkenlik ortaya çıkabilir

Süperiletkenler, elektrik akımının sıfır dirençle, genellikle belirli sıcaklıkların altında aktığı malzemelerdir. Geleneksel süperiletkenlerde, maddenin bu durumu, iki elektronun düşük sıcaklıklarda bir araya gelerek Cooper çiftleri adı verilen bir yapıyı oluşturmasıyla ortaya çıkar.

Ancak alışılmamış süperiletkenler olarak adlandırılan bazı malzemeler olağandışı koşullar altında süperiletkenlik sergiler ve geleneksel teorilerle açıklanamaz. Bu olağandışı durumların anlaşılması, daha az soğutmaya sahip gerçek dünya cihazlarında kullanılabilecek kadar yüksek sıcaklıklarda çalışabilen süper iletkenlerin geliştirilmesine yol açabilir.

Harvard Üniversitesi ve Stuttgart Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, vadi dengesiz eşkenar dörtgen dört katmanlı grafen olarak bilinen alışılmadık bir grafen formunun, alışılmadık süper iletken durumlara ev sahipliği yapabileceğini teorik olarak gösterdi.

Makaleleri şu tarihte yayınlandı: Fiziksel İnceleme Mektuplarıbu malzemedeki süper iletkenliğin aynı anda birden fazla orantısız momentumda yoğunlaşabileceğini ve Cooper çiftlerinden oluşan bir süper kafesin kendiliğinden oluşumuna yol açabileceğini öne sürüyor.

Makalenin ilgili yazarı Mathias Scheurer, CEİD’a şöyle konuştu: “Çalışmamız, süperiletkenliğin, eşkenar dörtgen grafen adı verilen belirli bir grafen katmanları yığınında normal bir durumdan ortaya çıkabileceğini gösteren bir deneyden ilham aldı; burada iki grafen vadisindeki elektronlar kendiliğinden bir vadiyi diğerinin üzerine doldurmayı seçer.”

“Bu çok heyecan verici çünkü grafenin iki vadisi zamanın tersine çevrilmesi simetrisi ile ilişkili ve dolayısıyla ikisi arasındaki dengesizlik bu simetriyi kendiliğinden bozuyor. Ancak bu simetri süperiletkenliğin merkezinde yer alıyor; öyle ki, geleneksel veya geleneksel olmayan süperiletkenliğe odaklanan hemen hemen tüm teorik çalışmalar, bunun kırılmadığını varsayarak başlıyor. Bu nedenle, eğer bu simetri yoksa, süperiletkenlik teorisindeki temel değişikliklerin neler olduğunu belirlemek temel ilgi alanıydı.”

Grafende süper iletken bir süper örgünün ortaya çıkışı

Scheurer ve ortak yazarları Maine Christos ve Pietro M. Bonetti, eşkenar dörtgen dört katmanlı grafendeki olası süper iletken eşleşme kararsızlıklarını sınıflandırmak için kullanılabilecek teorik bir çerçeve geliştirdiler. Geleneksel süperiletkenlerde, eşleşmiş elektronlar tipik olarak zıt momentumlara (yani hareketlere) sahiptir, dolayısıyla kolektif net momentumları kaybolur.

Ekibin çerçevesi aynı zamanda sıfır olmayan momentuma sahip elektron çiftlerini de dikkate alıyor. Aynı zamanda orantılı durumlar ve orantısız durumlar arasında da ayrım yapar. Birincisi, bir malzemenin altındaki kristal kafesin periyodikliği ile uyumlu süper iletken desenlerdir, ikincisi ise kristal kafesle eşleşmeyen bir periyodikliğe sahiptir.

Scheurer, “Bazılarımız daha önce, karşılıklı olmayan kritik akımları, yani ileri ve geri yönlerde farklılık gösteren kritik akımları stabilize etmesi gerçeğiyle motive olarak, vadi dengesizliğine sahip süper iletkenlerin taşıma imzaları üzerinde çalışmıştı” dedi.

“Böylece vadi dengesizliği ve eşleşme arasındaki karşılıklı etkileşimin bazı temellerini zaten iyi bir şekilde anlamıştık. Bu çalışma bizim için çok doğal bir sonraki adımdı çünkü konuyu daha derinlemesine incelememize olanak sağladı.”

Araştırmacılar, süperiletkenliğin, zamanın tersine çevrilmesi simetrisinin bozulmasıyla bir arada bulunup bulunamayacağına ışık tutmak için kendi çerçevelerini kullanmak istediler. Bunu yapmak için çeşitli sayısal ve analitik teknikler kullandılar. En önemlisi, belirli deneysel koşullar altında hangi tür süperiletkenliğin enerji açısından uygun olduğunu tahmin etmek için kullanılabilecek bir denklem olan doğrusallaştırılmış boşluk denklemine sayısal çözümler aradılar.

Christos, “Deneydeki simetri kırılmasının kesin derecesi bilinmediğinden, mümkün olduğu kadar çok deneysel senaryoyu hesaba katmak için başlangıç ​​koşulları ve etkileşimlere ilişkin geniş bir yelpazedeki senaryoları incelemeyi seçtik” diye açıkladı.

“Heyecan verici bir şekilde, eşkenar dörtgen grafende gerçekleşmesi muhtemel başlangıç ​​koşulları için süper iletkenin, analitik olarak sistemdeki temel etkileşimler tarafından belirlendiğini gösterdiğimiz özel bir topoloji türü taşıdığını bulduk. Bunun ötesinde, süper iletken durumun muhtemelen daha egzotik özelliklere sahip olabileceğini ve aynı zamanda çeviri simetrisini kendiliğinden kırabileceğini göstermek için bir serbest enerji hesaplaması kullandık.”

Eşkenar dörtgen grafen ile yeni deneyleri teşvik etmek

Kiralite, bir şeyin (örneğin insan elinin) basitçe döndürülerek ayna görüntüsüne dönüştürülemeyeceğini belirten önemli bir fiziksel kavramdır. Süperiletkenler aynı zamanda kiral de olabilir, yani elektronların hareketi ve süperiletkenliğin nasıl organize edildiği, kendi kiralitelerine sahip farklı bölgelerin (yani vadilerin) oluşmasına neden olur.

Bonetti, “Ele aldığımız sorulardan biri, süperiletkenliğin ortaya çıktığı eşkenar dörtgen grafendeki tercih edilen vadinin kiralitesi ile süperiletkenin kiralitesi arasındaki ilişkidir” dedi. “Süper iletkenlerin iyi bilinen bir özelliği, yeterince güçlü bir manyetik alan uygulandığında süper iletkendeki kasırgalar gibi girdaplar geliştirmeleridir. Tipik olarak uzaysal olarak düzenli bir şekilde düzenlenirler, yani bir girdap kafesi oluştururlar.”

Ekibin teorik çerçevesi, vadi dengesizliği olan normal durumdan ortaya çıkan süperiletkenlerin, harici bir manyetik alanın yokluğunda bile kendiliğinden girdap kafesi adı verilen bir yapı geliştirebileceğini öne sürüyor. Deneysel fizikçiler yakında bu öngörüyü laboratuvarda test etmeye ve yazarlar tarafından tanımlanan uzamsal süper örgü modelini aramaya başlayabilirler.

Scheurer, “Vadi dengesizliği olan eşkenar dörtgen grafendeki süperiletkenlik hakkında keşfedilecek başka birçok ilginç yön var” diye ekledi.

“Halihazırda keşfetmeye başladığımız bir tanesi, ışıkla etkileşimle ilişkili benzersiz özelliklerdir. Bir başka ilginç yön, homojen olmayanlıkları analiz etmektir; bunu da rastgele düzensizlik durumu için araştırmaya başladık, ancak tünel kavşakları gibi kasıtlı homojensizliklerin de çok verimli olduğu ortaya çıkabilir.”