Tweedimensionale (2D) materialen, zoals grafeen of overgangsmetaal dichalcogeniden, kan soms worden samengevoegd tot dubbellagen met een twist tussen afzonderlijke lagen. In recente jaren, veel onderzoekers hebben de eigenschappen van deze gedraaide dubbellaagse structuren en hun potentiële voordelen voor het vervaardigen van elektronische apparaten onderzocht.

Een onderzoeksgroep aan de Universiteit van British Columbia in Vancouver heeft onlangs een onderzoek uitgevoerd naar de eigenschappen van gedraaide dubbellaagse koperoxiden. In hun krant gepubliceerd in Natuurfysica , ze voorspellen dat structuren die zijn samengesteld uit twee monolaag-dunne d-golf supergeleiders, topologische supergeleiding bij hoge temperatuur zullen vertonen.

"Twisted dubbellaags grafeen is de afgelopen jaren een groot onderzoeksonderwerp geweest, en we dachten aan andere 2D-materialen waar twist-angle engineering zou kunnen worden toegepast, "Marcel Frans, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Het doel van ons werk, echter, was om wat nieuwe natuurkunde te ontdekken, niet alleen herhalen wat anderen hebben gedaan in de context van grafeen. Na een aantal valse starts, we hebben ons gericht op cuprate-supergeleiders, die enige overeenkomsten vertonen met grafeen, zoals 2D-basisstructuur en energiezuinige Dirac-excitaties, maar zijn ook in veel opzichten heel verschillende materialen."

Het meest opvallende verschil tussen grafeen en op cuprate gebaseerde supergeleiders is dat ze elektriciteit geleiden zonder weerstand bij hoge temperaturen. Deze eigenschap zou ze aantoonbaar geschikter kunnen maken voor het fabriceren van topologische supergeleiders.

In hun studie hebben Franz en zijn collega's richtten zich specifiek op enkellaagse cupraatmaterialen, zoals Bi ₂ sr ₂ CaCu ₂ O _8+δ , waarvan bekend is dat het een zogenaamde d-golf supergeleider is. Dit betekent in wezen dat de orderparameter van teken verandert bij een rotatie van 90 graden, net als een d-orbitaal in de chemie.

"Het is deze supergeleidende eigenschap van cupraat, meer dan 20 jaar geleden opgericht, dat ten grondslag ligt aan de opkomst van topologische supergeleiding in een dubbellaag van een dergelijk materiaal wanneer geassembleerd met een twist, Franz zei. "We hebben eenvoudige wiskundige modellen geconstrueerd die deze situatie beschrijven en ze tonen ondubbelzinnig bewijs voor een robuuste topologische fase wanneer de draaihoek bijna 45 graden is."

Topologische supergeleiders zijn uiterst zeldzaam, en onderzoekers hebben tot nu toe slechts een handvol materialen geïdentificeerd die als zodanig kunnen worden geclassificeerd. Bovendien, de meeste topologische supergeleiderkandidaten die tot nu toe zijn geïdentificeerd, bereiken de topologische toestand alleen bij zeer lage temperaturen (d.w.z. onder 1 graad Kelvin).

Franz en zijn collega's gemodelleerd gedraaide Bi ₂ sr ₂ CaCu ₂ O _8+δ dubbellaagse materialen en ontdekte dat het de topologische fase kon bereiken bij temperaturen tot 80 Kelvin. Het feit dat het deze fase bij hogere temperaturen zou kunnen ingaan, zou opmerkelijke voordelen kunnen hebben, omdat het nieuwe mogelijkheden zou kunnen bieden voor het bestuderen van topologische supergeleiding, mogelijk de ontwikkeling van de eerste echte topologische supergeleiders voor hoge temperaturen mogelijk maken.

"Verschillende laboratoria over de hele wereld, inclusief onderzoekers van mijn eigen Stewart Blusson Quantum Matter Institute, bereiden momenteel monsters van gedraaide cupraten voor hoge temperaturen voor en bereiden zich voor om te kunnen zoeken naar handtekeningen van de ongrijpbare topologische fase, " zei Franz. "Mijn groep doet een aanzienlijke inspanning om theoretische ondersteuning te bieden aan deze experimenten en het blijkt dat hoewel de topologische toestand robuust aanwezig moet zijn in deze monsters, de handtekeningen kunnen vrij subtiel zijn. Door theoretische modellering, we werken nu aan het voorspellen van kenmerkend gedrag van verschillende experimenteel meetbare grootheden."

© 2021 Science X Network