日期 2022年8月30日
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有了超导二极管,学者们推动了超高效量子电子器件的研究

一个包括十博客户端师生在内的研究小组在多层石墨烯中创造了一个没有磁场的超导二极管, 这一发展可能成为未来“无损”电子产品的基础.

普罗维登斯,R.I. [十博客户端]——超导体——一种零能量损耗的导电材料——自从20世纪50年代中期被称为BCS理论的发展以来,人们已经很好地理解了它. 然而, 扭转型超导二极管的最新发展, 多层石墨烯使了解非常规超导体的功能成为基础研究的一个重要新课题.

现在, 一个包括十博客户端物理学助理教授李佳在内的国际研究小组已经达到了一个关键的里程碑:使用石墨烯, 一种具有独特性能的材料, 他们已经证明了在一个二维超导体中有一个突出的超导二极管效应. 他们在杂志上报告了他们的发现 一项研究 在自然物理.

当有一定的电流时,材料在电流的一个方向上表现得像超导体,而在相反的方向上表现得像电阻,就会发生超导二极管效应. 与传统的二极管相比, 超导二极管的电阻为零,因此在正向方向上没有能量损失.

研究人员的新发展可能会形成超高效无损量子电子设备的基础.

最初, 利用外加磁场预测了超导二极管的概念, 有一些基本的限制. 在十博客户端进行的新实验中, 李的团队在没有磁场的情况下创造了一种极强的二极管效应. 当接通一个方向的电流时, 这个系统几乎立刻变成了一个电阻, 而在相反的方向上它仍然是超导体.

该系统创造了一个独特的情况与二极管效应,没有外部磁场在一个单一的超导体. 研究结果证实了该研究的共同作者马赛厄斯·肖尔(Mathias Scheurer)的假设, 他是澳大利亚因斯布鲁克大学的理论物理学家, 超导性和磁性可以在一个由三层相互扭曲的石墨烯层组成的系统中共存. 该系统可以产生自己的内部磁场,产生二极管效应.

此外,该团队还成功地利用一个简单的电场逆转了二极管的方向.

“均匀超导体中无场二极管效应的演示为探索可能的器件应用创造了一个绝佳的机会,”李说. 十博客户端首页演示的额外实验控制为设计可编程的无耗散二极管网络增加了更多可能性.”

一个有前途的材料

二极管效应是用石墨烯产生的, 蜂窝材料一种由单层碳原子构成的蜂窝结构的材料. 将几层石墨烯叠加在一起会产生全新的性质, 包括三层石墨烯相互扭曲以无损耗传导电流的能力. 这在 先前的实验 由李和他的合作者完成.

该系统在没有外部磁场的情况下也能产生超导二极管效应,这对研究扭曲三层石墨烯的复杂物理行为具有重要意义. 它证明了超导性和磁性的共存.

“超导性和铁磁性通常占据材料光谱的两端,林江夏子说, 十博客户端的博士后研究员,也是这项研究的主要作者之一. “这两个量子相共存是罕见的, 它几乎是令人兴奋的物理学的代名词.”

Phum Siriviboon, 他本科时在李的实验室进行研究,并于2022年5月获得了十博客户端的学士学位, 是该研究的另一位主要作者:“这是第一次在二维材料中观察到超导和铁磁性共存,”Siriviboon说. “十博客户端首页的结果为研究超导性和铁磁性之间的相互作用建立了一种新方法.”

该团队的最新研究表明,观察到的二极管效应不仅具有技术相关性,而且有可能提高对多体物理基本过程的理解. Li和Scheurer,以及Harley D. 新南威尔士大学的斯卡梅尔教授说, 发表 这一现象的理论基础在2022年的一篇文章中. 这一理论工作指向了团队工作的下一步, 哪一个是检查依赖的超导二极管效应时,电流在不同的方向流动.

“Phum和Jiang-Xiazi组成了一个出色的合作团队,”Li说. “这种类型的合作为本科生参与前沿研究提供了一个理想的模式,使他们能够做出有意义的和关键的贡献.”

本文由Pete Bilderback撰写,基于因斯布鲁克大学提供的内容.