Vous pouvez reconnaître le graphite comme le « plomb » dans un crayon, mais en plus de vous aider à prendre des notes ou à remplir d'innombrables bulles sur les fiches de réponses d'examen, cela aide les scientifiques à lutter contre les secrets de la suprconductivité.
La supraconductivité se produit lorsqu'un courant électrique est transmis à travers des fils sans perte d'énergie sous forme de chaleur ou de résistance. Les matériaux supraconducteurs ont le potentiel de révolutionner de nombreux aspects de notre vie quotidienne, de l'amélioration du réseau électrique à la fabrication d'ordinateurs plus puissants.
Cependant, la supraconductivité nécessite généralement des températures très basses, si faible qu'elles peuvent devenir peu pratiques et les mécanismes exacts de la supraconductivité ne sont pas bien compris pour de nombreux matériaux supraconducteurs.
Dans leur publication récente dans Nature une collaboration de chercheurs, dont le professeur de physique de la physique, le professeur Pavel Volkov de l'UCONN, les résultats surprenants sur la supraconductivité dans le graphène Tricoucheur Twisted.
En 2018, l'attention s'est concentrée sur la riche physique de la supraconductivité dans le graphène multicouche, qui est une seule couche d'atomes de carbone. En tant que couche unique, le graphène n'est pas supraconducteur; Cependant, cela change lorsque deux couches sont empilées et légèrement tordues pour former du graphène bicouche torsadé (TBG). L'empilement de trois couches pour fabriquer ensemble le graphène Tricoucheur Twisted (TTG) rend le système plus stable et robuste et a fait l'objet d'une grande partie de cette étude.
La torsion conduit à des propriétés supraconductrices uniques et non conventionnelles dans le graphène tricouche torsadé. Volkov dit qu'à un angle de torsion dite « magique », les effets d'interférence quantique conduisent au mouvement des élections ralentissant énormément lorsqu'ils se déplacent à travers les couches de graphène, ce qui leur permet d'interagir beaucoup plus fortement les uns avec les autres, ce qui est probablement le force motrice de la supraconductivité.
« Un certain nombre d'observations sur le graphène tricouche torsion sont assez similaires à un autre système d'intérêt immense où les interactions sont fortes – les supraconducteurs à température de transition à haute transition. dit.
En effet, la célèbre théorie de Bardeen, Cooper et Schrieffer, publiée en 1957, est connue pour s'adapter à de nombreux supraconducteurs bien connus, explique Volkov. Leur théorie attribue la supraconductivité aux électrons formant des « paires de Cooper » en raison de l'interaction avec les vibrations du réseau. Cependant, il ne correspond pas aux observations de cuprates et de plusieurs autres classes de matériaux, qui ont depuis gagné le nom de supraconducteurs « non conventionnels ».
Certains d'entre eux, comme les cuprates, deviennent supraconduants à des températures relativement élevées – qui dans ce cas est de -200 ° F – tandis que d'autres, y compris le TTG, ne supposent qu'à des températures extrêmement basses inférieures à -450 ° F. Pourtant, la présence de fortes interactions entre les électrons unit ces matériaux assez différents.
Les scientifiques espèrent que l'étude de la façon dont la supraconductivité se produit dans TTG pourrait aider à comprendre l'origine de la supraconductivité non conventionnelle et à augmenter les températures extrêmement basses nécessaires.
Obtenir une réponse concluante
Volkov dit que le système de graphène est idéal pour étudier la supraconductivité car il est propre et assez facile à contrôler.
« Après avoir ajouté la torsion, tout à coup, cela commence à montrer toute la physique que nous ne comprenons pas », dit-il. « L'espoir est que si nous commençons par un système qui est peut-être un peu plus dans le contrôle théorique que la chimie désordonnée des cuprates, nous pouvons peut-être comprendre les principes généraux derrière les supraconducteurs non conventionnels non BCS. »
De nombreuses études antérieures en graphène, bien qu'elles contribuent des informations importantes, sont limitées pour décrire la supraconductivité, explique Volkov, car ces expériences se concentrent sur les propriétés des électrons uniques plutôt que sur les paires d'électrons.
« Ce qui compte, c'est que les électrons forment des paires, et vous voulez en quelque sorte sonder les propriétés de ces paires pour pouvoir étudier la supraconductivité. C'est ce que cette expérience réalise. »
Volkov offre une analogie: si un champ électrique est appliqué à un supraconducteur, cela entraînera une augmentation de la vitesse et de l'accélération des paires d'électrons et un courant augmentant dans le temps. Ce phénomène est connu sous le nom d'inductance.
« Au niveau de l'ingénierie, un supraconducteur n'est qu'un inducteur – le problème est qu'ils sont généralement de mauvais inductances. La meilleure est un supraconducteur, plus il est pire en tant qu'inductance. »
Volkov dit que les co-auteurs Abhishek Bannerjee, Zeyu Hao et Mary Kreidel des groupes de Philip Kim, du département de physique de Harvard, et KC Fong de Raytheon BBN Technologies, ont développé des circuits électriques qui permettent aux chercheurs d'effectuer des expériences pour étudier l'inductance de l'inductivité Le graphène supraconducteur. Ensuite, ils ont pu mesurer directement l'inertie et la densité des paires Cooper qui conduisent à la supraconductivité.
Volkov dit que la question qu'ils voulaient répondre concernent la structure des paires d'électrons. Lorsque les particules forment une paire, leur mouvement relatif ne s'arrête pas, mais différents types de mouvement peuvent se produire. Alors que dans la théorie du BCS, le mouvement relatif des électrons dans une paire est uniforme ou isotrope, Volkov dit qu'il existe des preuves que les électrons dans les supraconducteurs non conventionnels se marient de manière non uniforme ou anisotrope.
« Jusqu'à ce travail, je ne pense pas que nous ayons eu une réponse concluante sur le fait que ce jumelage soit isotrope ou anisotrope dans le graphène torsadé », dit-il. «C'est important parce que les mécanismes conventionnels de la supraconductivité, comme ce qui est proposé dans la théorie du BCS, défend généralement un appariement isotrope uniforme.
« Cette expérience démontre que l'appariement dans le TTG est fortement anisotrope, et il renforce la connexion entre le graphène à trois couches torsadés et les cuprates à haute température de transition, ce qui est remarquable. En tant que scientifiques, nous voulons voir des choses complexes mais universelles, car il y a un trivial complexité.
« Chaque échantillon est différent. Ici, nous trouvons deux matériaux très différents, montrant des propriétés assez similaires, y compris la supraconductivité. Compte tenu de l'excellente accordage de TTG, l'espoir est que nous pouvons peut-être mettre la main sur les principes universels de la supraconductivité non conventionnelle, qui sont toujours manquant. »
'Belles expériences'
Volkov dit que la découverte a été faite en étudiant comment la température et le courant séparent les paires d'électrons. Pour les paires fortement anisotropes, il y a toujours des directions le long de laquelle la paire est facile à casser. Ainsi, même un petit changement de température peut entraîner des paires anisotropes qui se séparent.
Volkov dit qu'ils ont expérimenté d'autres paramètres pour perturber les paires Cooper, telles que la modification du courant, et les résultats confirment en outre que les paires de Cooper dans TTG sont très anisotropes.
Pour mieux en savoir plus sur l'état électronique sous-jacent, Volkov a développé un modèle théorique pour le comportement de l'inductance TTG en fonction de la température et du courant, en collaboration avec les co-auteurs Patrick Ledwith et Ashvin Vishwanath du Département de physique de Harvard.
« En mesurant les propriétés des paires d'électrons supraconductrices, nous obtenons également des informations sur la structure électronique sous-jacente et les propriétés sous-jacentes des électrons uniques dans cet état hautement anisotrope », explique Volkov.
« Cette information est quelque chose pour laquelle nous devions faire de la modélisation théorique, car elle n'était pas conforme à certaines attentes simples, où plus vous mettez d'électrons, plus vous obtenez de paires supraconductrices. Ce n'est pas ainsi que cela fonctionne ici. Ces belles expériences ont également donné US Insights on the Behavior of Iming Electrons in TTG. «
Le message à emporter de l'article est les électrons dans le graphène multicouche torsadé, contrairement à ceux décrits par la théorie BCS; Mais remarquablement, ils partagent des propriétés avec des cuprates à haute température, qui peuvent avoir des utilisations pratiques.
Comme le dit Volkov, ils doivent retourner à la planche à dessin pour développer une nouvelle théorie de l'état supraconducteur qui explique ces matériaux extraordinaires car ils peuvent ouvrir la voie à une nouvelle génération de supraconducteurs pour les applications du monde réel.
