지난 3 년 동안 전자는 물리학 자와 함께 연설을 해왔습니다.
이 게임은 2018 년 Pablo Jarillo-Herrero의 실험실이 10 년의 발견을 발표했을 때 시작되었습니다. 연구원들이 하나의 평평한 탄소 원자 시트를 다른 하나의 상단에 쌓아 놓았을 때, 그들 사이에 "마법"1.1도 트위스트를 적용한 다음 거의 절대적인 제로로 냉각했습니다. 샘플은 전자의 완벽한 도관이되었습니다.
.입자가 그래 핀 시트를 통해 완벽하게 미끄러지기 위해 어떻게 공모 했습니까? 비아 각도에 의해 생성 된 만화경 "Moiré"패턴은 중요해 보였지만 아무도 확실히 알지 못했습니다. 알아 내기 위해 연구원들은 손을 잡을 수있는 모든 재료를 비틀고 쌓기 시작했습니다.
처음에는 전자가 함께 연주되었습니다. 실험 후 실험에 따르면, 평평한 재료의 배열에서, 냉정한 온도가 전기 저항성이 떨어지는 것으로 나타났습니다. 이상적인 전도에 필요한 조건에 대한 더 깊은 이해는 가깝게 느껴졌으며, 전자 혁명을 향한 무질서한 단계입니다.
워싱턴 대학교 (University of Washington)의 요약 물리학자인 매튜 얀 카우 츠 (Matthew Yankowitz)는“초전도가 어디에나있는 것처럼 보였다”고 말했다.
그러나 전자는 냉담한 것으로 판명되었습니다. 연구자들이 샘플을보다 신중하게 검사함에 따라 초전도의 사례가 사라졌습니다. 일부 재료에서는 저항이 실제로 0으로 떨어지지 않았습니다. 다른 경우, 다른 테스트는 상충되는 결과를 제공했습니다. 원래의 이중층 그래 핀에서만 전자는 정기적으로 마찰이없는 흐름을 달성했습니다.
Yankowitz는“우리는이 다른 꼬인 재료의 동물원을 가지고 있었고, 트위스트 이중층 그래 핀은 분명히 초전도체 인 유일한 사람이었습니다.
지난 달, 저널 자연 에 두 개의 논문이 출판되었습니다. 및 과학 두 번째 관련 초전도체,“빵”시트가 정렬 된 3 층 그래 핀 샌드위치와 1.56 도로 충전 시트를 기울여 설명했습니다. 트위스트 트리 층 그래 핀의 명백한 전자 운반 능력은 2 웨이퍼 시스템이 우연이 아님을 확인시켜줍니다. 매사추세츠 기술 연구소 (Massachusetts Institute of Technology)의 물리학자인 Jarillo-Herrero는“이것은 Moiré Superconductors의 첫 번째 가족이었습니다.
중요하게도,이 두 번째 형제는 이들 재료의 초전도성에 힘을 줄 수있는 근본적인 메커니즘을 밝히는 데 도움이되었습니다.
2018 년 발견 이후 몇 달 후, 한 그룹의 이론가들이 이론가가 이중층 그래 핀 초 방제를 만든 메커니즘을 퍼즐로 시작했습니다. 그들은 하나의 특정 기하학적 특성으로 전자가 전자가 완전히 새로운 방식으로 행동하는 이국적인 소용돌이로 소용돌이 칠 수 있다고 의심했다. 초전도를 담당하는 (소수) 알려진 체계와는 다른이 메커니즘은 이중층 그래 핀의 초전도적 성공과 다른 재료의 실패를 설명 할 것입니다. 또한 그래 핀의 트릴 층 형제 자매도 초전도가 될 것으로 예측했습니다.
그러나 적어도 실험실이 테스트 할 기회가있을 때까지는 이론으로 남아있었습니다. 하버드 대학교 (Harvard University)의 연구원 인 Eslam Khalaf는“우리가 지금 알고있는 것은 흥미 진진한 방향처럼 보인다”고 말했다. "매일 초전도를 얻는 새로운 방법이있는 것은 아닙니다."
세 기적
마찰이 풍부하고 입자가 실제로 앉지 않는 지저분한 세상에서, 초전도성이 존재할 권리가없는 것처럼 완벽한 현상. 그러나 머큐리와 같은 일상적인 금속은 정기적으로 저온에서 그것을 끌어 내 렸습니다. Heike Kamerlingh Onnes는 20 세기 초에 우연히 발견되었습니다.
비밀은 절대 제로 근처에서 금속의 원자 격자의 진동이 자유 전자를 쌍으로 조종하는 것이었다. 이 커플들은 개별 전자가 할 수없는 방식으로 협력하여 단일 전자 원자 충돌없이 (열과 저항을 생성 할 수있는) 재료를 통해 흐르는 통합 양자 기계적 "초 유체"를 형성합니다. 1957 년에 개발 된 최초의 초전도 이론은 가장 이상적인 환경을 제외한 모든 것이 방해 할 수있는 섬세한 전자 댄스로 묘사했습니다. 하버드의 이론적 물리학자인 애쉬 빈 비쉬와 나트 (Ashvin Vishwanath)는“전자가 서로를 강하게 격퇴하기 때문에 그들이 짝을 이루는 것은 기적입니다.
연구원들은 1986 년에 두 번째 기적을 수행하는 전자를 잡았습니다. 재료는 어떻게 든 일반적으로 종래의 전자 쌍을 분할하는 온도보다 수십도 이상에서 초전도를 유지할 수있었습니다. 새로운 메커니즘은 원자 프레임보다는 주로 전자 자체와 관련이있는 것으로 보였습니다.
그러나 수십 년 동안 강렬한 연구를 한 후에도 연구원들은 여전히 CUPRATE의 전자가 어떻게 초전도 벤처를 조정하는지 정확히 확실하지 않습니다. 전자 집단의 거동을 예측하는 데는 다른 모든 입자에 대한 각 입자의 영향을 무차별 한 계산으로, 즉 전자 수에 따라 복잡성이 기하 급수적으로 증가하는 계산입니다. 초전도체의 작은 불꽃조차도 이해하기 위해서는 이론가들은 1 조의 전자 떼의 거동을 파악해야 할 것입니다. 현재 시뮬레이션은 약 12 개를 처리 할 수 있습니다.
실험가는 훨씬 더 나은 위치에 있지 않습니다. 그들은 새로운 결정을 키우고이 원자를 교환하고 특성을 테스트 할 수 있습니다. 그러나 재료는 전자가 내부에서 무엇을하고 있는지 밝히지 않습니다. 그리고 연구자들은 재료가 실제로 제조 할 때까지 어떻게 행동 할 것인지 모릅니다. Yankowitz는“아무도 내가이 새로운 [Cuprate]를 만들겠다고 말할 수 없다”고 말했다. Yankowitz는“[초전도의 온도]가 무엇인지 예측한다. 그것은 지금 당장 웃기 어려운 일입니다.”
트위스트 이중층 그래 핀의 독특한 특징은 Cuprates보다 투명하게 만들었습니다. 완전히 새로운 물질을 만들기보다는 실험가들이 전기장에 불과한 그래 핀의 특성을 조정하여 많은 연구자들에게 초전도성을위한“놀이터”로 만들 수 있습니다.
하버드의 요약 물리학자인 Subir Sachdev는“이것은 흥미 진진한 문제이자 Twisted Bilayer Graphene에 대한 훌륭한 문제입니다. "전자가 어떻게 움직이는 지 조사하기위한 완전히 새로운 도구 세트를 제공합니다."
.또한 이론적 지침을 제공했습니다. 정확하게 1.1 도의 마법 각도에서, 그래 핀 퓨즈의 벌집 격자는 일반적으로 Zippy Electrons가 크롤링에 느려지는 방식으로, 물리학 자들은 그 재료를“평평한 밴드”를 가진 것으로 묘사합니다. 느린 전자는 함께 더 많은 시간을 보내고 조직 할 수있는 기회를줍니다.
그러나지도는 모호했다. 평평한 밴드가있는 재료의 전자 전자는 여러 가지 방법으로 사교를 할 수 있으며,이 중 상전도 쌍을 형성하는 것은 단지 하나입니다. 연구원들은 많은 원자 웨이퍼를 밴드 플랫 트링하는 마법 각도에 쌓았지만 초전도적인 번개는 병에 걸리지 않았다.
.그들은 중요한 것을 놓치고있는 것 같았습니다.
소용돌이 치는 스카이 만
2018 년 3 월 뒤틀린 그래 핀에서 초전도성이 발견 된 직후, Vishwanath와 그의 동료들은 마법의 각도를 탈취하고 전자를 함께 잡고있는 것을 이해하려고 노력했습니다.
이중층 그래 핀에서 무관심한 전자의 움직임을 완전히 포착 한 이론을 기록하는 것은 불가능했기 때문에 이론가들은 조금 더 잘 행동하는 입자를 상상하는 것으로 시작했습니다. 그들은 그래 핀의 육각형 격자를 삼각형의 두 개의 스웨트 해소로 취급했습니다. 전자가 원자에서 원자로 이동함에 따라 일반적으로 반대 그리드의 원자로 점프합니다. 때때로 반란군은 같은 그리드의 원자에 뛰어 들다.
Vishwanath와 회사는 전자가 항상 그리드를 전환한다고 주장했다. 이 선택은 육각형 그리드를 삼각형 그리드로 분할하여 수학적으로 깨끗하게 분리했습니다. 그리고 두 개의 층을 갖는 이중층 그래 핀에서, 그것은 결국에는 중요한 모호한 특징을 가져 왔습니다. 전자는 이런 식으로 제한 될 때 자기장의 영향을받는 것처럼 움직이기 시작했습니다. 구체적으로, 하나의 sublattice의 전자는 양의 자기장을 느끼는 것처럼 보였고, 다른 sublattice의 전자는 부정적인 것을 느꼈다. 이론가들은 그것을 잘 인식하지 못했지만 새로운 초전도 이론의 열쇠는 얼굴을 쳐다보고 있었다.
이론을 사용하여 2018 년 8 월에 이중층 그래 핀에서 1.1 도의 마법 각도를 도출 한 후, Vishwanath와 그의 동료들은 더 많은 그래 핀 층을 쌓기 시작했습니다. 원래 두 층을 위해 설계된 이론은 예상보다 훨씬 나은 새로운 구조물에 스냅되었습니다. 그들은 더 두꺼운 시스템의 복잡성이 증가하는 데 불 침투하는 것처럼 보이는 간단한 비율로 하나의 그래 핀 스택에 대한 마법 각도를 계산할 수 있음을 발견했습니다.
.Vishwanath는“특히 응축 물질 물리학에서는 물리적이거나 실용적인 현실에 매우 가까운 일을하고 있다고 생각합니다. "하지만 지금은 때때로 당신은 뒤에 살고있는이 이상적인 세상을 엿볼 수 있습니다."
.버클리 캘리포니아 대학교 (University of California)의 공동 작업자를 포함한 그룹이 이론에 더 현실적인 세부 사항을 추가하면서 초전도성이 나타 났지만 전적으로 새로운 방식으로 나타났습니다. 아마도 그것은 전자가 형성된 전자 쌍이 아니라 Skyrmions로 알려진 전자의 폭풍우 일 것입니다. 이중층 그래 핀에는 2 개의 층이 있기 때문에 4 개의 Sublattices가 있지만 동일한 자기 전하가 1과 동일한 역할을하는 Sublattices는 작용합니다. 효과적인 자기장은 한 그리드의 원자를 방문하는 전자가 가리키기를 원하지만 다른 그리드의 전자는 아래로 향하고 싶어합니다. 이 구성은 시스템이 절연체로 작동하도록 전자를 제자리에 고정시킬 수 있습니다. (흥미롭게도, Cuprates 및 Twisted Bilayer Graphene에서의 실험은 두 재료가 초전도를 시작하기 직전에 절연체처럼 작용 함을 시사합니다).
그러나 추가 충전으로 균형을 방해하면 각 서브 라트의 전자는 폭풍의 눈의 회전 전자가 (또는 아래로), 이웃이 나선형 패턴으로 평평하게하는 집단 소용돌이 패턴을 가정 할 수 있습니다.
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수천 개의 전자가 그래 핀 스카이미온으로 들어갈 수 있지만 와류는 마치 하나의 전자 전하가있는 하나의 입자 인 것처럼 작용합니다. 당신은 부정적인 스카이들이 서로를 격퇴 할 것으로 기대할 수 있지만, 두 명의 하위 해석 사이에서 전자가 어떻게 전자를 타는 지에 관한 양자 기계 규칙은 실제로 반대되는 그리드에 스카이미션을 이끌어냅니다. 다시 말해, 이들은 전자와 같은 전하 쌍을 형성합니다-초전도의 기본 요구 사항.
Skyrmion Story의 핵심은 삼각 변수 사이의 전자 전송을 지시하는 180도 회전 대칭입니다. 사각형은 같은 대칭을 가지고 있습니다. 육각형이 있습니다. 직사각형 또는 육각형 격자가 있습니다. 그러나 그래 핀 외에 거의 모든 것을 쌓고 트위스트하는 시트가 부러집니다. 마침내 Vishwanath와 그의 동료들은 왜 뒤틀린 격자 동물원이 초전도에 실패했는지 설명 할 수있었습니다.
Khalaf는“이것은 모든 것이 함께 맞는 순간이었습니다.
이론은 그래 핀을 만난다
Jarillo-Herrero는 이미 좋은 것들이 3 번으로 올 수 있다고 생각했습니다. 평평한 밴드가있는 재료의 전자는 입자가 함께 작동하기에 충분히 천천히 움직이지만 초전도는 쌍이 더 쉽게 이동하는 "분산"밴드에서 향상 될 수 있습니다. 트위스트 이중층 그래 핀에는 전자가 있습니다. 단일 그래 핀 층은 후자를 갖는다. 그것들을 함께 쌓아 놓으면 우리에게 두 세계의 최고가 될 수 있습니다.
그런 다음 Vishwanath의 그룹에서 1.5도가 3 층의 그래 핀에서 초전도 스카이미를 연합시키는 마법의 각도라는 예측이 나왔습니다.
.이러한 주장을 염두에두고 Jarillo-Herrero의 실험실과 Harvard의 Philip Kim 실험실은 3 층의 그래 핀 시트를 만들기 시작했습니다. 두 실험실 모두 이론가들이 예측 한 모든 것을 보았습니다.
이중층 그래 핀이 초전도성을위한 놀이터 인 경우, 트릴 층 그래 핀은 주 박람회 인 것으로 보인다. 실험가는 격자의 전자 수를 미세 조정할 수있을뿐만 아니라, 두 번째 전기장으로 층 사이의 전자를 섞을 수도 있습니다. 이러한 유연성을 통해 연구원들은 전자가 2 층 시스템, 1 층 시스템 또는 수의 수의 하이브리드 시스템을 통해 움직이는 것처럼 느끼게함으로써 초전도적인 달콤한 반점을 찾을 수 있습니다.
.이 전례없는 조정 가능성을 사용하여 실험실은 다른 꼬인 재료와 달리 트리 니어 그래 핀이 모든 초전도성 테스트를 통과하는지 확인했습니다. 그들은 또한 초전도가 특이한 방식으로 발생한다는 몇 가지 간접적 인 힌트를 발견했습니다.
첫째, 전자는 매우 잘 협력합니다. 원자의 클러스터가 자유 전자 쌍을 이루는 종래의 초전도체에서, 100,000 전자 중 1 명만이 초전도 초 유체와 결합된다. Cuprates에서는 30 개의 자유 전자 중 약 1 명이 참여합니다. 그러나 트릴 층 시스템에서 연구원들은 10 명 중 1 명 정도의 참여가 참여한다고 추정합니다.
초전도 쌍의 엔티티 (전자 또는 스카이 미온이든)도 함께 가깝게 유지됩니다. 과냉각 된 알루미늄의 전자 듀오의 끝은 길이가 높은 파스타 가닥의 수프와 같이 전자 사이의 일반적인 거리의 10,000 배만큼 분리됩니다. 그러나 트릴 층 그래 핀에서, 초전도 커플은 마카로니처럼 함께 포장되며, 물체는 이웃과의 파트너와 가깝게 앉아있다.
아 원자 수준의 재료 내에서 무슨 일이 일어나고 있는지 아는 것이 얼마나 어려운지를 감안할 때, Skyrmions가 다층 그래 핀에서 초전도를 분명히하고 있는지 말하기에는 너무 이르다. 그러나 Khalaf의 경우 Jarillo-Herrero와 Kim이 보는 이상한 행동은 전자 소용돌이에 맞습니다.
표준 전자 페어링과 달리 Skyrmion 커플은 매우 효율적인 초전도성을 위해 단단히 결합합니다. 복합 객체도 크고 가깝게 가깝습니다.
그리고 표준 금속에서는 전자를 많은 가능한 활동 중에서 선택할 수있는 상태에 전자를 넣으면 일반적으로 가장 강력한 초전도를 얻습니다. 그러나 연구자들이 트리 층 시스템에서 전자를 주었을 때이 자유는 초전도성이 사망했습니다. 아마도 칼라프는 말했다.
Columbia University의 요약 물리학자인 Cory Dean은“기존의 초전도가 아니라는 것은 확실하지 않다고 생각합니다. 그러나 그는 자유 증가에 대한 특이한 반응은“확실히 다른 방향을 가리키는 데이터 포인트”라고 말했다.
.회전 대칭 Vishwanath와 그의 동료들이 다층 그래 핀의 초전도성에 진정으로 중요하다면, 재료 과학자들은 언젠가 그 사실을 사용하여 수십억 개의 가능한 물질들을 통해 전자를 따뜻하게 유지할 수있는 격자를 통해 그들을 안내 할 수 있습니다.
.꼬인 그래 핀의 전하는 거대한 Moiré 세포를 가로 질러 고온에서 초전도로 너무 얇게 퍼지지 만, 스카이 미온이든 다른 것에 상관없이 그것들을 유지하는 본드는 강력 해 보입니다. 뒤틀린 그래 핀과 이상한 특성을 설명하는 이론에 대한 자세한 조사는 강력한 초전도의 본질을 증류하고 더 많은 열을 취할 수있는 격자를 향한 길을 가리킬 수 있기를 희망합니다.
Sachdev는“[Atomic] 규모로 동일한 Skyrmion Physics를 얻으면 실제로 이것을 사용할 수 있습니다.”
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