Dwa różne stany nadprzewodzące znalezione w dwuwarstwowym grafenie typu Bernal stanowią wyzwanie dla obecnych modeli

19 lutego 2025 cecha

Ten artykuł został zrewidowany zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami Science X. Redaktorzy podkreślili następujące cechy, jednocześnie zapewniając wiarygodność treści:

sprawdzono fakty

publikacja z recenzją przez rówieśników

zaufane źródło

tekst przejrzany

autorstwa Ingrid Fadelli, Phys.org

Superprzewodnictwo to rozpowszechniona cecha materiału, która oznacza oporność elektryczną wynoszącą zero poniżej określonej krytycznej temperatury. Dotychczas zaobserwowano to w różnych materiałach, w tym niedawno w tzw. alotropach grafenu wielowarstwowych (czyli materiałach składających się z kilku warstw heksagonalnej kraty węglowej).

Niedawne badania wykazały, że gdy grafen dwuwarstwowy jest umieszczony na podłożu z WSe2 (dwusiarczek wolframu), jego faza superprzewodzenia jest zwiększona. Skutkuje to większą gęstością nośników ładunku i wyższą krytyczną temperaturą (czyli temperaturą, w której materiał staje się superprzewodnikiem).

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara i California Institute of Technology przeprowadzili badanie mające na celu dalsze zbadanie tego wzmocnienia w alotropie grafenu Bernal dwuwarstwowym. W swojej pracy, opublikowanej w Nature Physics, donoszą o obserwacji dwóch odrębnych stanów superprzewodzenia w tym materiale, kwestionując obecne modele sprzężenia elektronów w alotropach grafenu.

„Przed tą pracą, zaobserwowaliśmy superprzewodnictwo w grafenie dwuwarstwowym bez WSe2, a nasi koledzy z Caltech, prof. Stevan Nadj-Perge i Yiran Zhang, student doktorancki w tamtym czasie, poinformowali nas o swoich najnowszych wynikach wyższej krytycznej temperatury, gdy grafen dwuwarstwowy jest zblizowany z WSe2,” powiedział Phys.org Ludwig Holleis, pierwszy autor pracy. „Zaczęliśmy badać to nowo znalezione superprzewodnictwo i zwiększenie temperatur krytycznych oraz pól magnetycznych.”

Głównym celem ostatniego badania przeprowadzonego przez Holleis i jego współpracowników było lepsze zrozumienie zwiększenia krytycznych temperatur i pól magnetycznych, o których wcześniej donoszono w grafenie dwuwarstwowym w bliskości WSe2, a także stanu podstawowego, z którego się wyłania. Aby to zrobić, przebadali ten sam superprzewodnik, który okazał się mieć najwyższą krytyczną temperaturę podczas wcześniejszego badania przeprowadzonego w Caltech.

„Ponownie znaleźliśmy ten sam superprzewodnik w próbce, którą pomiarowaliśmy, a także zaobserwowaliśmy drugi superprzewodnik, który ma znacznie mniejszą krytyczną temperaturę,” wyjaśnił Holleis. „W zasadzie, obserwacja superprzewodnika to część łatwa, gdyż po prostu wykonaliśmy pomiary oporu. Trudniejsze jest zrozumienie jego właściwości.”

„Aby to zrobić, przeprowadziliśmy pomiary oscylacji kwantowych wysokiej rozdzielczości, które mierzyły powierzchnię Fermiego elektronów – w prostych słowach, stany w przestrzeni pędów, w których elektron może istnieć.”

Co ciekawe, naukowcy stwierdzili, że zebrane pomiary nie były zgodne z symetrią obrotową krystalu, który badali. Zamiast tego zaobserwowali preferencyjny kierunek, znany jako nematicity.

„Nematicity zostało znalezione w innych materiałach superprzewodzących, takich jak nadprzewodniki żelaza, i mogło również odgrywać ważną rolę dla superprzewodnictwa tutaj,” powiedział Holleis. „Z drugim głównym wynikiem, ograniczeniem pól magnetycznych w płaszczyźnie przez sprzężenie orbityczne, próbowaliśmy zrozumieć pewne bardziej tajemnicze dane.”

„W zasadzie, krytyczne pole magnetyczne w płaszczyźnie jest ogólnie określone albo przez granicę Pauliego, albo przez sprzężenie spin-orbitalne Isinga, jak powinno być w tym przypadku. Żadne z nich nie wydawało się pasować do żadnych danych eksperymentalnych.”

Po omówieniu swoich pomiarów z fizykiem teoretycznym prof. Erezem Bergiem z Instytutu Weizmanna i jego studentem Yaarem Vituri, Holleis i jego koledzy zaproponowali nowy mechanizm rozprzęgania dla superprzewodnictwa związanych z momentami orbitalnymi w płaszczyźnie. Ich praca może wkrótce zainspirować nowe badania, eksplorując odrębne stany superprzewodnictwa, które zaobserwowali, a także pomagając ograniczyć teorie przewidujące mechanizmy sprzężenia w alotropach grafenu.

„Już złożyliśmy kolejną pracę dotyczącą superprzewodnictwa na grafenie trójwarstwowym z WSe2, którą prowadzili dwaj inni studenci doktoranccy z naszego laboratorium, Cailtin Patterson i Owen Sheekey,” dodał Holleis. „Ogólniej rzecz ujmując, zrozumienie tych (teraz wielu) superprzewodników w grafenie wielowarstwowym jest trudne, a obecnie pracujemy nad nowymi technikami eksperymentalnymi, aby odkryć ich sekrety.”

Więcej informacji: Ludwig Holleis et al, Nematicity and orbital depairing in superconducting Bernal bilayer graphene, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02776-7

Caitlin L. Patterson et al, Superconductivity and spin canting in spin-orbit proximitized rhombohedral trilayer graphene, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2408.10190

Informacje o czasopiśmie: Nature Physics , arXiv

© 2025 Science X Network