پژوهش سیستم های بس ذره ای

پژوهش سیستم های بس ذره ای

جفت های کوپر ابررسانایی در گرافین دو لایهAA

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسنده
گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه ایلام، ایلام، ایران
چکیده
در این مقاله از مدل هابارد چند باندی، برای بررسی ابررسانایی گرافین دو لایهAA استفاده شده است. علاوه بر دستوارگی معروف گرافین تک لایه، ناشی از هلیسیتی ذرات با جرم صفر، شبه ذرات در گرافین دو لایهAA، با یک شاخص کوانتومی جدید به نام شاخص مخروطی نیز توصیف میشوند. در معدودی از مقالات، نقش بارز این شاخص در پدیده هایی نظیر تونل زنی کلین و بازتاب آندریف مورد توجه بوده است. در مقاله پیشرو، نشان داده شده است شاخص مخروطی، نتیجه تقارن آینه ای میباشد و خود یک نوع دستوارگی جدید و متمایز از هلیسیتی شبه ذرات با جرم صفر است. با معرفی یک تبدیل یکانی، هامیلتونی گرافین دو لایه، به دو بخش زوج و فرد بلوک قطری می گردد که یادآور تبدیل معادله نسبیتی دیراک در نمایش چهار مولفه ای استاندارد، به دو معادله نسبیتی وایل در نمایش اسپینوری راستگرد و چپگرد، است. در حالت ابررسانایی، متناظر با بخشهای زوج/فرد هامیلتونی، چهار الکترون، با هم تیم شده و جفتهای کوپر راستگرد و چپگرد را بوجود می آورند. امکان جفت شدگی بین باندی، میان الکترونهایی با دستوارگی آینه ای متفاوت، وجود ندارد. این قاعده منع، منجر به ظهور یک ابررسانایی دو گافه پنهان با زوج های کوپر جدید میگردد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Superconducting Copper Pairs in AA Bilayer Graphene

نویسنده English

Rouhollah Gholami
Department of physics, Ilam university, Ilam, Iran
چکیده English

We use a multi-band extended Hubbard model to describe superconductivity in AA-bilayer graphene. In addition to the usual chirality of single-layer graphene that arises from the helicity of its massless quasiparticles, this system is described by an additional index called the "cone-index". This issue has been given very little attention in the literature, despite a few articles noting its prominent role in phenomena such as Klein tunneling and Andreev reflection. In this manuscript, it is shown that the cone-index is a consequence of mirror symmetry and is itself a new and distinct type of chirality from the helicity of massless quasiparticles, which we term “mirror-chirality”. Due to this mirror symmetry, the Hamiltonian of bilayer graphene is block-diagonalized by applying a unitary transformation. This process is mathematically analogous to the reduction of the Dirac equation in the 4-component Dirac representation to the chiral Weyl representation, which acts on left-handed and right-handed 2-component Weyl spinors. The method is extended to include the superconducting state. It is shown that four electrons in the upper and lower layers are coupled to form two kinds of superconducting Cooper pairs with an extra left/right-handed chiral character. Furthermore, inter-band Cooper pairing between quasiparticles with different mirror-chirality indices is forbidden. This naturally leads to a hidden double-gap superconductivity with new aspects.

کلیدواژه‌ها English

Superconductivity
AA bilayer graphene
Cooper pair
Prohibition rule
Weyl representation
chirality
[1] Y. Cao, V. Fatemi, S. Fang, K. Watanabe, T. Taniguchi, E. Kaxiras, P. Jarillo-Herrero, Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices, Nat. 556 (2018) 43-50. https://doi.org/10.1038/nature26160                
[2] Y. Cao, V. Fatemi, A. Demir, S. Fang, S.L. Tomarken, J.Y. Luo, J.D. Sanchez-Yamagishi, K. Watanabe, T. Taniguchi, E. Kaxiras, R.C. Ashoori, P. Jarillo-Herrero, Correlated insulator behavior at half-filling in magic-angle graphene superlattices, Nat., 556 (2018) 80-84. https://doi.org/10.1038/nature26154 (2018)     
[3] A.H. MacDonald, Bilayer Graphene’s Wicked, Twisted Road, Phys. 12 (2019) 12.
[4] K. Kanetani, K. Sugawara, T. Sato, R. Shimizu, K. Iwaya, T. Hitosugi, T. Takahashi, Ca Intercalated Bilayer Graphene as a Thinnest Limit of Superconducting C6Ca, Proc. Natl. Acad. Sci., 109 (2012) 19610-19613. https://doi.org/10.1073/pnas.1208889109        
 [5] J. Chapman, Y. Su, C.A. Howard, D. Kundys, A. Grigorenko, F. Guinea, A.K. Geim, I.V. Grigorieva, R.R. Nair, Superconductivity in Ca-doped graphene laminates, Sci. Rep., 6 (2016) 23254. https://doi.org/10.1038/srep23254                    
[6] G. Chen, A.L. Sharpe, E.J. Fox, Y.-H. Zhang, S. Wang, L. Jiang, B. Lyu, H. Li, K. Watanabe, T. Taniguchi, Z. Shi, T. Senthil, D.K. Efetov, F. Wang, Signatures of tunable superconductivity in a trilayer graphene moiré superlattice, Nat., 572 (2019) 215–219. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1393-y     
[7] A.V. Rozhkov, A.O. Sboychakov, A.L. Rakhmanov, F. Nori, Electronic properties of graphene-based bilayer systems, Phys. Rep., 648 (2016) 1-104. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.003
[8] P.L. de Andres, R. Ramírez, J.A. Vergés, Strong covalent bonding between two graphene layers, Phys. Rev. B, 77 (2008) 045430. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.045403  
[9] J.K. Lee, S.C. Lee, J.P. Ahn, S.C. Kim, J.I.B. Wilson, P. John, The growth of AA graphite on (111) diamond, J. Chem. Phys., 129 (2008) 234709. https://doi.org/10.1063/1.2975333                 
[10] Z. Liu, K. Suenaga, P.J.F. Harris, S. Iijima, Open and closed edges of graphene layers, Phys. Rev. Lett., 102 (2009) 015501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.015501
[11] A.L. Rakhmanov, A.V. Rozhkov, A.O. Sboychakov, F. Nori, Instabilities of the AA-stacked graphene bilayer, Phys. Rev. Lett., 109 (2012) 206801. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.206801
[12] A.O. Sboychakov, A.L. Rakhmanov, A.V. Rozhkov, F. Nori, Bilayer graphene can become a fractional metal, Phys. Rev. B, 103 (2021) L081106. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.L081106
[13] R.S. Akzyanov, A.O. Sboychakov, A.V. Rozhkov, A.L. Rakhmanov, F. Nori, AA-stacked bilayer graphene in an applied electric field: Tunable antiferromagnetism and coexisting exciton order parameter, Phys. Rev. B, 90 (2014) 155415. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.155415
[14] A.O. Sboychakov, A.V. Rozhkov, A.L. Rakhmanov, F. Nori, Antiferromagnetic states and phase separation in doped AA-stacked graphene bilayers, Phys. Rev. B, 88 (2013) 045409. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.88.045409
[15] A.O. Sboychakov, A.L. Rakhmanov, A.V. Rozhkov, F. Nori, Metal-insulator transition and phase separation in doped AA-stacked graphene bilayer, Phys. Rev. B, 87 (2013) 1401.   https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.121401 
[16] M. Sanderson, Y.S. Ang, C. Zhang, Klein tunneling and cone transport in AA-stacked bilayer graphene, Phys. Rev. B 88 (2013) 245404.                         https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.L081106   
 [17] R. Gholami, R. Moradian, S. Moradian, W.E. Pickett, Superconducting Symmetry Phases and Dominant bands in (Ca-) Intercalated AA- Bilayer Graphene, arXiv preprint, DOI arXiv:1904.02814(2019).                              
  [18] W.-T. Lu, Q.-F. Sun, Cone-dependent retro- and specular Andreev reflections in AA-stacked bilayer graphene, Phys. Rev. B, 108 (2023) 195425. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.195425   
[19] M. Alidoust, A.-P. Jauho, J. Akola, Josephson effect in graphene bilayers with adjustable relative displacement, Phys. Rev. Res., 2 (2020) 32074.           https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.032074 
 [20] A.O. Sboychakov, A.L. Rakhmanov, A.V. Rozhkov, Superconductivity and spin density wave in AA stacked bilayer graphene, Phys. E, 165 (2025) 116118.https://doi.org/10.1016/j.physe.2024.116118.   
 [21] M. Raczkowski, F.F. Assaad, M. IM, Hubbard model on the honeycomb lattice: From static and dynamical mean-field theories to lattice quantum Monte Carlo simulation, Phys. Rev. B, 101 (2020) 25103. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.125103   
 [22] R. Gholami, Graphene Boron Nitride electronic structure in the framework of Realistic Tight binding Model [In Persian], J. Res. Many-Body Syst 12 (2022) 51-65.  https://doi.org/10.22055/JRMBS.2022.17348

  • تاریخ دریافت 21 مهر 1403
  • تاریخ بازنگری 04 دی 1403
  • تاریخ پذیرش 30 تیر 1404