Supergeleiders zijn materialen die elektrische stroom geleiden met praktisch geen elektrische weerstand. Dit vermogen maakt ze buitengewoon interessant en aantrekkelijk voor een overvloed aan toepassingen, zoals verliesvrije stroomkabels, elektrische motoren en generatoren, evenals krachtige elektromagneten die kunnen worden gebruikt voor MRI-beeldvorming en voor magnetische zwevende treinen. Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Nagoya de supergeleidende aard van een nieuwe klasse van supergeleidend materiaal, gedraaid dubbellaags grafeen met een magische hoek, gedetailleerd beschreven.

Om een ​​materiaal als supergeleider te laten werken, zijn lage temperaturen vereist. De meeste materialen komen pas in de supergeleidende fase bij extreem lage temperaturen, zoals -270°C, wat lager is dan gemeten in de ruimte. Dit beperkt hun praktische toepassingen ernstig, omdat een dergelijke uitgebreide koeling zeer dure en gespecialiseerde koelapparatuur met vloeibaar helium vereist. Dit is de belangrijkste reden waarom supergeleidende technologieën nog in de kinderschoenen staan.

Hoge temperatuur supergeleiders (HTS), zoals sommige op ijzer en koper gebaseerde voorbeelden, gaan de supergeleidende fase in boven -200 °C, een temperatuur die gemakkelijker te bereiken is met vloeibare stikstof die een systeem afkoelt tot -195,8 °C. De industriële en commerciële toepassingen van HTS zijn tot dusver echter beperkt gebleven. Momenteel bekende en beschikbare HTS-materialen zijn brosse keramische materialen die niet kneedbaar zijn en niet kunnen worden gemaakt in bruikbare vormen zoals draden. Bovendien zijn ze notoir moeilijk en duur om te vervaardigen. Dit maakt de zoektocht naar nieuwe supergeleidende materialen van cruciaal belang en een sterke focus van onderzoek voor natuurkundigen zoals Prof. Hiroshi Kontani en Dr. Seiichiro Onari van de afdeling Natuurkunde, Universiteit van Nagoya.

Onlangs is een nieuw materiaal voorgesteld als een potentiële supergeleider, genaamd magic-angle twisted bilayer grafeen (MATBG). In MATBG worden twee lagen grafeen, in wezen enkele tweedimensionale lagen koolstof gerangschikt in een honingraatrooster, gecompenseerd door een magische hoek (ongeveer 1,1 graden) die leidt tot het breken van de rotatiesymmetrie en de vorming van een symmetrie van hoge orde bekend als SU(4). Als de temperatuur verandert, ervaart het systeem kwantumfluctuaties, zoals waterrimpelingen in de atomaire structuur, die leiden tot een nieuwe spontane verandering in de elektronische structuur en een vermindering van de symmetrie. Deze breuk in de rotatiesymmetrie staat bekend als de nematische toestand en is nauw in verband gebracht met supergeleidende eigenschappen in andere materialen.

In hun werk dat onlangs is gepubliceerd in Physical Review Letters , Prof. Kontani en Dr. Onari gebruiken theoretische methoden om de bron van deze nematische toestand in MATBG beter te begrijpen. "Omdat we weten dat supergeleiding bij hoge temperaturen kan worden geïnduceerd door nematische fluctuaties in sterk gecorreleerde elektronensystemen zoals op ijzer gebaseerde supergeleiders, kan het verduidelijken van het mechanisme en de oorsprong van deze nematische orde leiden tot het ontwerp en de opkomst van supergeleiders bij hogere temperaturen", legt Dr. .Onari.

De onderzoekers ontdekten dat de nematische orde in MATBG voortkomt uit de interferentie tussen de fluctuaties van een nieuwe vrijheidsgraad die de vrijheidsgraden van de vallei en de vrijheidsgraden van de spin combineert, iets dat niet is gemeld door conventionele sterk gecorreleerde elektronensystemen. De supergeleidende overgangstemperatuur van gedraaid dubbellaags grafeen is erg laag, namelijk 1K (–272°C), maar de nematische toestand slaagt erin deze met enkele graden te verhogen.

Hun resultaten laten ook zien dat, hoewel MATBG zich in sommige opzichten gedraagt ​​als een op ijzer gebaseerde supergeleider voor hoge temperaturen, het ook enkele duidelijke eigenschappen heeft die behoorlijk opwindend zijn, zoals een netto laadlusstroom die aanleiding geeft tot een magnetisch veld in een gepolariseerde vallei, terwijl de lusstroom door elke vallei in de nematische toestand wordt opgeheven. Daarnaast kan de kneedbaarheid van grafeen ook een belangrijke rol spelen bij het vergroten van de praktische toepassingen van deze supergeleiders. Met een beter begrip van de onderliggende mechanismen van supergeleiding, komen wetenschap en technologie dichterbij een geleidende toekomst die inderdaad super is.

Het artikel, "SU(4) Valley + Spin Fluctuation Interference Mechanism for Nematic Order in Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene:The Impact of Vertex Corrections", werd gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters op 9 februari 2022. + Verder verkennen

Laaddichtheidsgolf induceert elektronische nematiciteit in Kagome-supergeleider