Twee verschillende supergeleidende toestanden gevonden in Bernal bilayer graphene dagen de huidige modellen uit

19 februari 2025 functie

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

gefactureerd

peer-reviewed publicatie

betrouwbare bron

proofread

door Ingrid Fadelli, Phys.org

Supergeleiding is een veelgevraagde materiaaleigenschap, die een elektrische weerstand van nul inhoudt onder een specifieke kritieke temperatuur. Tot nu toe is het waargenomen in verschillende materialen, waaronder recentelijk in zogenaamde multi-layer grafeen allotropen (dat wil zeggen, materialen die bestaan uit meerdere lagen van een hexagonaal koolstofrooster).

Recente studies hebben gevonden dat wanneer bilayer grafeen op een WSe2 (wolfraam-diselenide) substraat wordt geplaatst, de supergeleidende fase ervan wordt verbeterd. Dit resulteert in een grotere ladingdragerdichtheid en een hogere kritieke temperatuur (dat wil zeggen, de temperatuur waarbij een materiaal een supergeleider wordt).

Onderzoekers aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara en het California Institute of Technology hebben een onderzoek uitgevoerd dat tot doel had deze verbetering in de grafiet allotroop Bernal bilayer grafeen verder te onderzoeken. Hun paper, gepubliceerd in Nature Physics, rapporteert de observatie van twee verschillende supergeleidende staten in dit materiaal, die de huidige modellen van elektronenparing in grafeen allotropen uitdagen.

'Voorafgaand aan dit werk hadden we supergeleiding waargenomen in bilayer grafeen zonder WSe2 en onze samenwerkingspartners van Caltech, prof. Stevan Nadj-Perge en Yiran Zhang, een promovendus destijds, hadden ons verteld over hun recente resultaten van een hogere kritieke temperatuur wanneer bilayer grafeen wordt proximitized met WSe2,' vertelde Ludwig Holleis, eerste auteur van het artikel, aan Phys.org. 'We zijn begonnen met het onderzoeken van deze nieuw gevonden supergeleiding en de verbetering van kritieke temperaturen en magnetische velden.'

Het belangrijkste doel van het recente onderzoek uitgevoerd door Holleis en zijn collega's was om een beter inzicht te krijgen in de verbetering van de kritieke temperaturen en magnetische velden die eerder waren gerapporteerd in bilayer grafeen in de nabijheid van WSe2, evenals de grondtoestand waaruit het voortkomt. Om dit te doen, onderzochten ze dezelfde supergeleider die tijdens een eerdere studie aan Caltech werd gevonden om de hoogste kritieke temperatuur te vertonen.

'We vonden dezelfde supergeleider opnieuw in het monster dat we hebben gemeten en we hebben ook de tweede supergeleider waargenomen die een veel lagere kritieke temperatuur heeft,' legde Holleis uit. 'In principe is het waarnemen van de supergeleider het makkelijke deel omdat we gewoon weerstandsmetingen hebben uitgevoerd. Het begrijpen van de eigenschappen ervan is dan moeilijker.'

'Om dit te doen, hebben we hoge resolutie kwantumoscillatie-metingen uitgevoerd, die de Fermi-oppervlakte van de elektronen meten—eenvoudig gezegd, de staten in momentumruimte waarin het elektron kan bestaan.'

Interessant is dat de onderzoekers ontdekten dat de metingen die ze hebben verzameld niet overeenkwamen met de roterende symmetrie van het kristal dat ze hebben onderzocht. In plaats daarvan hebben ze een preferentiële richting waargenomen, die bekend staat als nematiciteit.

'Nematiciteit is gevonden in andere supergeleidende materialen zoals ijzer supergeleiders, en het kan hier ook een belangrijke rol spelen voor supergeleiding,' zei Holleis. 'Met het tweede belangrijkste resultaat, de limiet van in-vlakse kritische velden door orbitaal depairing, hebben we geprobeerd om wat mysterieuze data te begrijpen.'

Ontdek het laatste nieuws op het gebied van wetenschap, technologie en ruimte met meer dan 100.000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Meld je aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoek die ertoe doen—dagelijks of wekelijks.

'In principe wordt de in-vlakse kritische magnetische veld limiet generiek bepaald door de Pauli limiet of door de Ising spin-baan koppeling, zoals hier het geval zou moeten zijn. Geen van beide leek te passen bij de experimentele data.'

Nadat ze hun metingen hadden besproken met theoretisch natuurkundige prof. Erez Berg aan het Weizman Instituut en zijn student Yaar Vituri, stelden Holleis en zijn collega's een nieuw depairing mechanisme voor voor de supergeleiding van in-vlakse orbitale momenten voor. Hun werk kan binnenkort nieuwe studies inspireren die de verschillende supergeleidende fasen die ze hebben waargenomen, verkennen, en tegelijkertijd helpen bij het beperken van theorieën die de parelmechanismen voorspellen in grafeen allotropen.

'We hebben al een opvolgend artikel ingediend over supergeleiding op trilayer grafeen met WSe2, geleid door twee andere promovendi in ons laboratorium, Cailtin Patterson en Owen Sheekey,' voegde Holleis toe. 'Meer in het algemeen is het begrijpen van deze (inmiddels vele) supergeleiders in multi-layer grafeen moeilijk, en momenteel werken we aan nieuwe experimentele technieken om hun geheimen te ontrafelen.'

Meer informatie: Ludwig Holleis et al, Nematiciteit en orbitaal ontbinding in supergeleidende Bernal dubbellaags grafeen, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02776-7 Caitlin L. Patterson et al, Supergeleiding en spin-verdraaiing in spin-baan nabijgelegen rhomboëdrisch drielaags grafeen, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2408.10190 Tijdschriftinformatie: Nature Physics, arXiv © 2025 Science X Network