Forskning: Ovanlig typ av supraledning upptäckt

2020-04-07

Uppsalaforskare har utvecklat en ny teori som förutspår en ovanlig typ av supraledning i vridna dubbellager av grafen.

Uppsalaforskarna Fabian Schrodi, Alex Aperis och Peter Oppeneer har utvecklat en teori som kan förklara samtliga egenskaper som uppstår för vridna dubbellager av grafen. Den nya teorin visar att supraledande Cooperpar bildas med ovanliga energier som ligger utanför Fermikanten, vilket inte är möjligt enligt Bardeen-Cooper-Schrieffer-teorin (BCS), som är den teori som vanligtvis förklarar fenomenet supraledning. Teorin har tagits fram genom detaljerade beräkningar med Uppsala Superconductivity code (UppSC), som har utvecklats av forskargruppen.

Grafen är ett tvådimensionellt kvantmaterial som består av endast ett lager kolatomer, och har ett flertal ovanliga egenskaper, men är i sig inte supraledande. Men år 2018 gjordes den oväntade upptäckten att när två lager av grafen kombineras och vrids, så lite som en grad i förhållande till varandra, blir materialet supraledande med en kritisk temperatur på ca 1,7 grader Kelvin, det vill säga nära den absoluta nollpunkten. Vridningen mellan de båda lagren gör elektronerna starkt korrelerade och ett så kallat Cooperpar bildas. Elektronernas rörelse påverkas av vridningen så att de endast kan röra sig med en energi som varierar i väldigt låg utsträckning.

Det supraledande gapet Δ avbildat på elektronernas energiband E(k) med vektor k i det reciproka rummet. Elektronerna kan röra sig inom energibanden nära Fermikanten som ligger vid energi noll. Beräkningar visar att det supraledande gapet – gapets storlek indikeras med olika färger – är störst utanför energibanden vid Fermikanten. Bild: Fabian Schrodi.

Andra forskare, som tidigare har försökt förklara supraledning i vridna dubbellager av grafen har använt sig av BCS-teorin, som är den teori som vanligtvis förklarar fenomenet supraledning. Enligt BCS-teorin bildar två elektroner som har samma energi vid Fermikanten, Cooperpar genom gittervibrationer och därefter kan Cooperparet röra sig fritt genom materialet utan några energiförluster. BCS-teorin kunde dock inte ge en förklaring till alla de supraledande egenskaper som uppstår i vridna dubbellager av grafen. Till exempel skulle enligt BCS-teorin tätheten av supraledande par vara nästan noll och materialet skulle inte kunna uppvisa Meisnereffekten, som vanligtvist är ett kännetecken för supraledning.

I den nya teorin har Uppsalaforskarna dock lyckats utvidgat BCS-antagandet att endast elektroner med energi vid Fermikanten kan bilda Cooperpar. 

Uppsalaforskarna genomförde så kallade första-princip-beräkningar, det vill säga beräkningar utan fritt valbara parametrar, med hjälp av Uppsala Superconductivity code, som noggrant kan förutsäga om ett material blir supraledande och vid vilken övergångstemperatur. Beräkningarna visade just att icke-normala Cooperpar bildas i vridna dubbellager av grafen. Och att elektronernas energi för de bildade Cooperparen inte bara ligger vid Fermikanten, utan sträcker sig över hela energibandet och det supraledande gapet öppnar sig främst bort från Fermikanten. Det är första gången den här typen av supraledning observerats.

- Vår forskning visar framförallt på att det finns nya oväntade former av supraledning utöver det som varit känt sedan tidigare, som kan ha stor betydelse för en djupare och bättre förståelse för fenomenet supraledning, säger Fabian Schrodi, doktorand vid institutionen för fysik och astronomi.

Kontakt

Fabian Schrodi, fabian.schrodi@physics.uu.se
Dr. Alex Aperis, 0769-212 312, alex.aperis@physics.uu.se
Prof. Peter Oppeneer, peter.oppeneer@physics.uu.se

Artikelreferens

F. Schrodi, A. Aperis and Peter M. Oppeneer, Prominent Cooper pairing away from the Fermi level and its spectroscopic signature in twisted bilayer graphene. Physical Review Research – Rapid Communications (2020). Publication Date: March 17, 2020, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.012066

Läs mer

Uppsala Superconductivity code (UppSC)

Camilla Thulin