Графен, свернутый под определенным углом, становится сверхпроводником
Исследователи представили новые доказательства того, как графен, свернутый под определенным углом, может стать сверхпроводником, перемещающим электричество без потери энергии. В исследовании, опубликованном сегодня (15 февраля 2023 г.) в журнале Nature, группа под руководством физиков из Университета штата Огайо сообщила о своем открытии ключевой роли, которую квантовая геометрия играет в превращении этого искривленного графена в сверхпроводник.
Графен — это один слой атомов углерода, грифель, который содержится в карандаше.
В 2018 году ученые из Массачусетского технологического института обнаружили, что при правильных условиях графен может стать сверхпроводником, если один кусок графена наложить поверх другого и скрутить слои под определенным углом — 1,08 градуса, создавая скрученные двухслойный графен.
«С тех пор ученые изучают этот скрученный двухслойный графен и пытаются понять, как работает этот «магический угол», — сказал Марк Бократ, профессор физики в штате Огайо и соавтор статьи в журнале Nature.
«Традиционная теория сверхпроводимости в этой ситуации не работает», — сказал Бократ. «Мы провели серию экспериментов, чтобы понять, почему этот материал является сверхпроводником».
В обычном металле за проводимость отвечают высокоскоростные электроны.
Но скрученный двухслойный графен имеет тип электронной структуры, известный как «плоская полоса», в которой электроны движутся очень медленно — фактически со скоростью, приближающейся к нулю, если угол точно равен «магическому».
Согласно традиционной теории сверхпроводимости, электроны, движущиеся так медленно, не должны проводить электричество, говорит соавтор исследования Джини Лау, также профессор физики в штате Огайо.
С большой точностью Хайдун Тянь, первый автор статьи и студент исследовательской группы Лау, смог получить устройство, настолько близкое к магическому углу, что электроны были почти остановлены по обычным стандартам физики конденсированного состояния. Тем не менее образец показал сверхпроводимость.
«Это парадокс: как электроны, которые движутся так медленно, вообще могут проводить электричество, не говоря уже о сверхпроводимости? Это очень примечательно», — сказал Лау.
В своих экспериментах исследовательская группа продемонстрировала низкую скорость электронов и дала более точные измерения движения электронов, чем это было доступно ранее.
И они также нашли первые подсказки относительно того, что делает этот графеновый материал таким особенным.
«Мы не можем использовать скорость электронов, чтобы объяснить, как работает скрученный двухслойный графен », — сказал Бократ. «Вместо этого нам пришлось использовать квантовую геометрию».
Как и все квантовое, квантовая геометрия сложна и не интуитивно понятна. Но результаты этого исследования связаны с тем фактом, что электрон — это не только частица, но и волна, а значит, и волновые функции.
«Геометрия квантовых волновых функций в плоских полосах вместе с взаимодействием между электронами приводит к протеканию электрического тока без диссипации в двухслойном графене », — сказал соавтор Мохит Рандериа, профессор физики в штате Огайо.
«Мы обнаружили, что обычные уравнения могут объяснить примерно 10% обнаруженного нами сигнала сверхпроводимости. Наши экспериментальные измерения показывают, что квантовая геометрия составляет 90% того, что делает это сверхпроводником», — сказал Лау.
Сверхпроводящие эффекты этого материала можно обнаружить только в экспериментах при экстремально низких температурах. По словам Бократа , конечная цель состоит в том, чтобы понять факторы, которые приводят к высокотемпературной сверхпроводимости, что будет потенциально полезно в реальных приложениях, таких как передача электроэнергии и связь.
«Это окажет огромное влияние на общество», — сказал он. «До этого еще далеко, но это исследование определенно продвинет нас вперед в понимании того, как это могло произойти».
