Sciencemag.cz
Doporučujeme
Kvantové geometrie, supravodivost vs. rychlost elektronů. Elektrony jako kapalina nebo jako plyn. Magický úhel a selenid wolframičitý.
Supravodivost vs. rychlost elektronů
Vědci zkoumali, jak je vůbec možné, že dvouvrstva grafenu s pootočením o známý magický úhel může fungovat jako (nekonvenční) supravodič. Marc Bockrath a Jeanie Lau z Ohio State University uvádějí, že podle výpočtů/simulací se v této struktuře grafenu elektrony naopak pohybují velmi pomalu, rychlostí blížící se nule. Struktura by neměla fungovat ani jako normální elektrický vodič. Nově provedené experimenty vedly k závěru, že pro vysvětlení supravodivosti je zde třeba použít tzv. kvantovou geometrii. „Geometrie kvantových vlnových funkcí v plochých pásech spolu s interakcí mezi elektrony vede k toku elektrického proudu bez disipace v dvouvrstvém grafenu,“ uvedl spoluautor studie Mohit Randeria, rovněž z Ohio State University.
Chun Lau, Evidence for Dirac flat band superconductivity enabled by quantum geometry, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05576-2. www.nature.com/articles/s41586-022-05576-2
Zdroj: Ohio State University / Phys.org
Poznámka PH: Ne že by tomu asi kdokoliv z nás rozuměl, ale máme aspoň hezký nový pojem, kvantová geometrie.
Odpor s teplotou klesá
Fyzikové z University of Wisconsin-Madison poprvé přímo změřili proudění elektronů v grafenu s nanometrovým rozlišením. Konkrétně se soustředili na to, co se v grafenu děje kolem atomu příměsi. Výzkumníci záměrně zavedli do grafenu nečistoty rozmístěné v kontrolovaných vzdálenostech a poté vrstvou nechali procházet elektrický proud. Pomocí tzv. skenovací tunelové potenciometrie měřili napětí s nanometrovým rozlišením ve všech bodech grafenu a vytvořili 2D mapu vzorce toku elektronů (vyšší napětí = více elektronů). Bez ohledu na vzdálenost překážek byl pokles napětí ve sledovaném kanálu mnohem nižší při vyšší teplotě (77 K) oproti nižší teplotě (4 K). Jinak řečeno, při vyšší teplotě byl odpor v kanálu mnohem nižší, což je rozhodně nečekané.
Autoři studie to vysvětlují následujícím způsobem: Při teplotách blízkých absolutní nule se elektrony v grafenu chovají jako plyn: rozptylují se všemi směry a spíše narážejí do překážek než interagují mezi sebou. Odpor je vyšší a tok elektronů je relativně neefektivní. Naopak při vyšších teplotách (míněno těch 77 K) je chování elektronů podobné kapalině. To znamená, že na sebe více vzájemně působí, než aby narážely do překážek, a proudí jako voda mezi dvěma kameny uprostřed potoka. Je to, jako by si elektrony navzájem sdělovaly informace o překážce, odpor se snižuje a tok elektronů se stává efektivnější.
Zachary J. Krebs et al, Imaging the breaking of electrostatic dams in graphene for ballistic and viscous fluids, Science (2023). DOI: 10.1126/science.abm6073
Zdroj: University of Wisconsin-Madison / Phys.org
Supravodivost bez magického úhlu
Na Caltechu ukázali, že selenid wolframičitý WSe2 může fungovat nejen jako konkurence grafenu, ale také jako jeho účinný doplněk. Přidání WSe2 může zlepšit vlastnosti grafenu z hlediska supravodivosti.
V roce 2022 se ukázalo, že supravodivé mohou být nejen vrstvy grafenu pootočené o magický úhel, ale i vrstvy normálně zarovnané na sobě. Takovou strukturu je samozřejmě mnohem snazší vyrobit. Navíc při otáčení mohou ve struktuře vznikat defekty, struktury bez kroucení se mnohem lépe reprodukují v identické podobě atd.
Supravodivý stav v těchto nekroucených dvojvrstvách je ale křehčí, hůře se ladí (v případě magického úhlu např. stačí přepínat mezi supravodičem a izolantem pomocí vnějšího elektrického pole) a vyžaduje velmi nízké teploty (chlazení kapalným heliem). Nový výzkum provedený na Caltechu ukazuje, že pomoci zde ale může selenid wolframičitý. Stevan Nadj-Perge a jeho kolegové zjistili, že když se na dvojvrstvu umístí WSe2, kritická teplota supravodivosti se výrazně zvedne – zhruba na úroveň pootočeného uspořádání, přitom zde ale stále zůstanou výhody jednoduššího výrobního postupu. Výsledky také rozšiřují naše chápání supravodivosti; k jejímu ladění u materiálů na bázi grafenu půjde použít i další látky. V případě WSe2 lze také pomocí vnějšího elektrického pole nejen přidávat elektrony do dvojvrstvy (a naopak), ale také je tlačit směrem k selenidu nebo naopak od něj.
Yiran Zhang et al, Enhanced superconductivity in spin–orbit proximitized bilayer graphene, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05446-x
Zdroj: California Institute of Technology / Phys.org
