主题 科技
日期 2022年8月30日
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有了超导二极管,学者们朝着超高效量子电子器件前进

JDB夺宝大学教师和学生组成的研究小组在多层石墨烯中制造了一种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. [JDB夺宝大学]——自20世纪50年代中期所谓的BCS理论发展以来,超导体——零能量损耗导电的材料——已经被充分理解. 然而, 近年来超导二极管的发展采用了扭曲, 多层石墨烯使了解非常规超导体的工作原理成为基础研究的重要新课题.

现在, 一个包括JDB夺宝大学物理学助理教授贾丽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, 具有独特性能的材料, 他们已经在一个二维超导体中证明了一个突出的超导二极管效应. 他们的研究结果发表在 一项研究 《JDB夺宝》.

超导二极管效应发生时,有一个大小的电流,其中材料表现为超导体在一个方向的电流和电阻在相反的方向. 与传统二极管相反, 超导二极管显示零电阻,因此在前进方向上没有能量损失.

研究人员的新进展可能会成为超高效无损量子电子设备的基础.

最初, 在外加磁场条件下,提出了超导二极管的概念, 它有一些基本的局限性. 在JDB夺宝大学进行的新实验中, 李的团队在没有磁场的情况下创造了一个极强的二极管效应. 在一个方向接通电流时, 这个系统几乎立刻变成了一个电阻, 而它仍然是相反方向的超导体.

该系统在单个超导体中创造了一个二极管效应的独特情况,没有外部磁场. 研究结果证实了研究合著者马赛厄斯·舒尔的假设, 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相互扭曲的三层石墨烯组成的系统中共存. 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绝佳的机会,李说. “jdb夺宝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.”

一种有前途的材料

二极管效应是用石墨烯产生的, 蜂窝状材料:由单层碳原子呈蜂窝状排列而成的材料. 堆叠几层石墨烯会产生全新的特性, 包括相互扭曲的三层石墨烯传导电流而不损耗的能力. 这在 先前的实验 由李和他的合作者进行.

在该系统中,超导二极管效应可以在没有外部磁场的情况下存在,这对研究扭曲三层石墨烯的复杂物理行为具有重要意义. 它证明了超导和磁性的共存.

“超导性和铁磁性通常占据物质光谱的两端,林江夏子说, JDB夺宝大学的博士后研究员,也是这项研究的主要作者之一. “这两个量子相之间的共存非常罕见, 它几乎等同于令人兴奋的物理学.”

Phum Siriviboon, 他本科时曾在李的实验室做过研究,并于2022年5月获得JDB夺宝大学学士学位, 该研究的另一位主要作者说:“这是第一次在二维材料中观察到超导和铁磁性之间的共存,Siriviboon说. “jdb夺宝的结果为研究超导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学基本过程的理解. Li和Scheurer,还有Harley D. 新南威尔士大学的斯卡梅尔说, 发表 这一现象的理论基础在2022年的一篇文章中. 这一理论工作为该团队的下一步工作指明了方向, 当电流向不同方向流动时,超导二极管效应的依赖关系是什么.

“Phum和蒋夏子组成了一个出色的团队,一起工作,”李说. “这种类型的合作提供了一个理想的模式,让本科生参与前沿研究,并使他们能够做出有意义和关键的贡献.”

本文由Pete Bilderback撰写,内容由因斯布鲁克大学提供.