Twistronics (eBook)

De heilige graal van de natuurkunde, kwantummaterialen en nanotechnologieën

Fouad Sabry (Autor)

eBook Download: EPUB

2023 | 1. Auflage
306 Seiten
Een Miljard Goed Geïnformeerd [Dutch] (Verlag)
978-0-00-043628-3 (ISBN)

Infos

Wat is Twistronics

Het onderzoeksgebied dat bekend staat als 'twistronics' onderzoekt hoe het veranderen van de hoek tussen lagen van tweedimensionale materialen de elektrische eigenschappen van de materialen kan beïnvloeden. Het is aangetoond dat de hoek tussen de lagen van sommige materialen, zoals dubbellaags grafeen, het elektrische gedrag van het materiaal diepgaand kan beïnvloeden, waardoor het zich gedraagt op een manier die varieert van niet-geleidend tot supergeleidend. In hun theoretische beschrijving van grafeensuperroosters was de onderzoeksgroep onder leiding van Efthimios Kaxiras van Harvard University de eerste die dit woord gebruikte.

Hoe u profiteert

(I) Inzichten en validaties over de volgende onderwerpen:

Hoofdstuk 1: Twistronics

Hoofdstuk 2: Supergeleiding

Hoofdstuk 3: Onconventionele supergeleider

Hoofdstuk 4: Supergeleiding bij hoge temperatuur

Hoofdstuk 5: Supergeleider bij kamertemperatuur

Hoofdstuk 6: Grafeen

Hoofdstuk 7: Superrooster

Hoofdstuk 8: Hofstadters vlinder

Hoofdstuk 9: Wolfraamditelluride

Hoofdstuk 10: Nabijheidseffect (supergeleiding)

Hoofdstuk 11: Pomeranchuk-koeling

Hoofdstuk 12: Superstrepen

Hoofdstuk 13: Dubbellaags grafeen

Hoofdstuk 14: Allan H. MacDonald

Hoofdstuk 15: Alexander V. Balatsky

Hoofdstuk 16: Enkellaagse materialen

Hoofdstuk 17: Eva Andrei

Hoofdstuk 18: Elektronische eigenschappen van grafeen

Hoofdstuk 19: Pablo Jarillo-Herrero

Hoofdstuk 20: Antonio H. Castro Neto

Hoofdstuk 21: Rafi Bistritzer

(II) Beantwoorden van de belangrijkste publieke vragen over twistronics.

(III) Voorbeelden uit de praktijk voor het gebruik van twistronics op veel gebieden.

(IV) 17 bijlagen om in het kort 266 opkomende technologieën in elke branche uit te leggen om een volledig begrip van 360 graden te hebben van de technologieën van twistronics.

Voor wie dit boek is

Professionals, niet-gegradueerde en afgestudeerde studenten, enthousiastelingen, hobbyisten en degenen die verder willen gaan dan basiskennis of informatie voor elke vorm van twistronics.

Textauszug

Hoofdstuk 2: Supergeleiding

De term "supergeleiding" verwijst naar een verzameling fysische verschijnselen die in specifieke materialen kunnen worden gezien. Deze kwaliteiten omvatten de eliminatie van elektrische weerstand en de emissie van magnetische fluxvelden van het materiaal. Een supergeleider kan worden gedefinieerd als een stof die deze eigenschappen heeft. Een supergeleider heeft een specifieke kritische temperatuur waaronder de weerstand plotseling tot nul daalt. Dit in tegenstelling tot het gedrag van een gewone metalen geleider, die een weerstand heeft die geleidelijk afneemt naarmate de temperatuur daalt, helemaal tot bijna het absolute nulpunt. Een lus van supergeleidende draad kan een elektrische stroom behouden, zelfs als er een externe voedingsbron is voor een onbeperkte hoeveelheid tijd.

Het fenomeen dat bekend staat als supergeleiding werd in 1911 ontdekt door een Nederlandse wetenschapper met de naam Heike Kamerlingh Onnes. Net zoals ferromagnetisme en atomaire spectraallijnen verschijnselen zijn die alleen door de kwantummechanica kunnen worden beschreven, is supergeleiding zo'n fenomeen. Het Meissner-effect is wat het onderscheidt van andere soorten supergeleiders. Dit fenomeen verwijst naar de totale uitwerping van magnetische veldlijnen van de binnenkant van de supergeleider wanneer deze transformeert in zijn supergeleidende toestand. De observatie dat het Meissner-effect plaatsvindt, is het bewijs dat supergeleiding niet kan worden teruggebracht tot een eenvoudige analogie met het klassieke natuurkundige concept van ideale geleidbaarheid (perfecte geleidbaarheid).

In 1986 werd ontdekt dat sommige cupraat-perovskiet keramische materialen een kritische temperatuur hebben van meer dan 90 K (−183 °C).

Het is theoretisch onmogelijk voor een standaard supergeleider om zo'n hoge overgangstemperatuur te bereiken.

vanwege deze eigenschap hebben de materialen de naam "hoge temperatuur supergeleiders" gekregen.

De temperatuur waarbij het gemakkelijk toegankelijke en goedkope koelmiddel vloeibare stikstof kookt, is 77 K.

Het feit dat supergeleiding kan optreden bij temperaturen hoger dan deze, maakt het mogelijk om verschillende experimenten en toepassingen uit te voeren die moeilijker uit te voeren zouden zijn bij temperaturen lager dan deze.

De classificatie van supergeleiders kan worden gedaan met behulp van een breed scala aan criteria. De volgende zijn de meest voorkomende:

Een supergeleider kan Type I zijn, in welk geval het een enkel kritisch veld heeft, waarboven alle supergeleiding verloren gaat en waaronder het magnetisch veld volledig uit de supergeleider wordt verdreven; het kan ook type II zijn, in welk geval het twee kritieke velden heeft, waartussen het gedeeltelijke penetratie van het magnetisch veld door geïsoleerde punten mogelijk maakt; en ten slotte kan een supergeleider van type III of type IV zijn, in welk geval deze drie of meer kritieke velden heeft.

Als het kan worden beschreven door de BCS-theorie of een van zijn variaties, dan behoort het tot de conventionele categorie; anders behoort het tot de onconventionele categorie. transformaties in overeenstemming met een niet-triviale onherleidbare representatie van de puntgroep of ruimtegroep van het systeem.

Een supergeleider wordt over het algemeen als hoge temperatuur beschouwd als deze een supergeleidende toestand bereikt boven een temperatuur van 30 K (−243,15 °C); Het kan ook verwijzen naar materialen die een overgang naar supergeleiding ondergaan wanneer ze worden gekoeld met vloeibare stikstof; om specifieker te zijn:

bij slechts Tc > 77 K, ondanks het feit dat dit vaak alleen wordt gebruikt om het punt te benadrukken dat afkoeling van vloeibare stikstof voldoende is.

Materialen met een kritische temperatuur lager dan 30 kelvin worden supergeleiders met lage temperatuur genoemd.

en worden voornamelijk gekoeld door vloeibaar helium (Tc > 4,2 K).

De ijzerpnictidegroep van supergeleiders is een opmerkelijke uitzondering op deze norm. Deze supergeleiders vertonen gedrag en kenmerken die kenmerkend zijn voor supergeleiders bij hoge temperaturen.

Er zijn echter leden van de groep met kritische temperaturen lager dan 30 K.

Klassen van supergeleidende materialen omvatten chemische elementen (zoals kwik of lood), legeringen (zoals niobium-titanium, germanium-niobium en niobiumnitride), keramiek (zoals YBCO en magnesiumdiboride), supergeleidende pnictiden (zoals fluor-gedopeerde LaOFeAs) en organische supergeleiders. Kwik en lood zijn twee voorbeelden van chemische elementen die dat kunnen zijn (fullerenen en koolstofnanobuisjes; hoewel deze voorbeelden misschien moeten worden opgenomen in de chemische elementen, omdat ze volledig uit koolstof bestaan).

De kritische temperatuur, de grootte van de supergeleidende kloof, het kritische magnetische veld en de kritische stroomdichtheid waarbij supergeleiding wordt vernietigd, zijn enkele van de fysieke kenmerken van supergeleiders die van materiaal tot materiaal verschillen. Aan de andere kant is er een categorie kenmerken die op geen enkele manier worden beïnvloed door de stof die eronder zit. De belangrijkste voorbeelden zijn het Meissner-effect, de kwantisatie van magnetische flux of permanente stromen en de toestand van nulweerstand. Al deze beschrijven de staat van nul weerstand. De aard van de gebroken symmetrie van de supergeleider en het verschijnen van off-diagonale langeafstandsvolgorde zijn de twee fundamentele factoren die verantwoordelijk zijn voor de aanwezigheid van deze zogenaamde "universele" kenmerken. Omdat supergeleiding een thermodynamische fase is, heeft het specifieke kenmerken die het onderscheiden van andere fasen, waarvan de meeste niet worden beïnvloed door de kleine fijne kneepjes van de toestand.

De oprichting van Cooper-paren is nauw verbonden met de off-diagonale langeafstandsvolgorde. Een eenvoudige verklaring voor de vorming van Cooperparen, de oorsprong van de aantrekkingskracht die de binding van de paren veroorzaakt, het bestaan van een eindige energiekloof en de aanwezigheid van permanente stromen wordt gepresenteerd in een artikel geschreven door V.F. Weisskopf. Het artikel legt ook uit waarom er een eindige energiekloof is.

De meest eenvoudige benadering van het bepalen van de elektrische weerstand van een monster van een bepaald materiaal is om het monster in een elektrisch circuit op te nemen, het in serie te verbinden met een stroombron I en vervolgens de spanning te meten die over het monster wordt geproduceerd. De wet van Ohm specificeert de formule voor het berekenen van de weerstand van het monster, die R = V / I is. Als er geen spanning is, zal er ook geen weerstand zijn, omdat dit de logische conclusie is.

Bovendien hebben supergeleiders de mogelijkheid om een stroom te blijven geleiden, zelfs als er geen externe spanning is, een eigenschap die wordt gebruikt in supergeleidende elektromagneten, zoals die worden gebruikt in MRI-machines. Experimenten hebben aangetoond dat stromen in supergeleidende spoelen gedurende een aanzienlijke tijd onveranderd kunnen blijven zonder merkbare verslechtering. De resultaten van vele experimenten suggereren een levensduur van ten minste 100.000 jaar voor het huidige organisme. Afhankelijk van de vorm van de draad en de temperatuur is het mogelijk dat theoretische schattingen van de levensduur van een persistente stroom langer zijn dan de geschatte levensduur van het heelal. De bewaking van de levitatie van een supergeleidende niobiumbol met een massa van 4 gram is de basis voor de meettechniek die in dergelijke apparaten wordt gebruikt.

Een elektrische stroom kan worden gezien als een vloeistof bestaande uit elektronen die over een dicht ionisch rooster reist terwijl het door een typische geleider stroomt. Bij elke botsing wordt een deel van de energie die door de stroom wordt geleverd door het rooster geabsorbeerd en omgezet in warmte. Deze warmte is gewoon de trillingskinetische energie van de roosterionen. De botsingen tussen de elektronen en de ionen in het rooster vinden continu plaats. Als direct gevolg hiervan bevindt de energie die door de stroom wordt getransporteerd zich in een staat van voortdurende dissipatie. Elektrische weerstand en Joule-verwarming zijn de twee termen die dit proces beschrijven.

In het geval van een supergeleider wordt er anders mee omgegaan.

In een normale supergeleider is het niet mogelijk om de elektronen waaruit de elektrische vloeistof bestaat in hun verschillende toestanden te scheiden.

In plaats daarvan vormen Cooper-paren, die gebonden paren van elektronen zijn, de samenstellende delen.

Een aantrekkelijke aantrekkingskracht tussen elektronen is wat deze koppeling veroorzaakt, en die kracht wordt gecreëerd door de uitwisseling van fononen.

Deze combinatie is helemaal niet erg sterk.

Bovendien hebben zelfs kleine thermische trillingen het potentieel om de binding te verbreken.

Vanwege de kwantummechanica heeft deze Cooper-paarvloeistof een gat in zijn energiespectrum, wat kan worden gezien als een energiekloof.

wat betekent dat er een minimale hoeveelheid energie ΔE is die moet worden geleverd om de vloeistof te exciteren.

Daarom, als ΔE groter is dan de thermische energie van het rooster, geleverd door kT, Als k de Boltzmann-constante vertegenwoordigt en T de temperatuur, kan het rooster de vloeistof op geen enkele manier verspreiden.

Hierdoor is de Cooper pair vloeistof een superfluïde.

Dit betekent dat het kan bewegen zonder zijn energie te verliezen.

Wanneer een elektrische stroom wordt toegepast in combinatie met een sterk magnetisch veld, dat kan worden veroorzaakt door de elektrische stroom, vertoont een klasse supergeleiders die bekend staat als type...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 14.1.2023
• Übersetzer: Alp Brekelmans
• Sprache: Dutch; Flemish
• Themenwelt: Technik ► Elektrotechnik / Energietechnik
• ISBN-10: 0-00-043628-3 / 0000436283
• ISBN-13: 978-0-00-043628-3 / 9780000436283