Почти десять лет назад исследователи объявили об открытии нового класса сверхтонких материалов с особыми оптическими и электрическими свойствами, которые сделали его потенциальным конкурентом графена — формы углерода, открытой в 2004 году, чьи особые свойства интересуют как ученых, так и инженеров.

Теперь инженеры Калифорнийского технологического института показали, что один из этих удивительных материалов, диселенид вольфрама, не только конкурирует с графеном, но и дополняет его. Добавив диселенид вольфрама к графену, им удалось улучшить электрические свойства графена таким образом, что это обогатило наше понимание сверхпроводимости и проложило путь к созданию более надежных и легко настраиваемых сверхпроводников на основе графена.

Чтобы понять, чего добились исследователи, полезно сначала узнать, что такое графен и почему его свойства делают его полезным.

Графен — это форма углерода, состоящая из одного слоя атомов, расположенных в виде сотовой решетки, похожей на куриную сетку. Когда два или более таких листа уложены друг на друга, полученный материал может проявлять совершенно разные электронные свойства в зависимости от выравнивания этих листов по отношению друг к другу.

Например, когда второй лист графена «скручивается» всего на 1,05 градуса (значение, известное как «магический угол») по отношению к листу, на который он уложен поверх, полученный пакет может быть либо сверхпроводником, проводящим электричество без абсолютно никакого сопротивления или изолятор, который полностью блокирует прохождение электричества. Все, что нужно для переключения между этими совершенно разными состояниями, — это приложение внешнего электрического поля.

Удивительно, но исследования, проведенные в 2022 году, показывают, что даже нескрученные бислои графена могут проявлять сверхпроводимость. Нескрученные бислои графена легче изготовить в массе, чем их скрученные аналоги, но сверхпроводящее состояние в этих нескрученных бислоях более тонкое, его труднее настроить, и оно возникает только при температурах, которые примерно в сто раз ниже, чем в скрученных структурах (такие температуры обычно может быть достигнуто только за счет использования жидкого гелия). Новое исследование в Калифорнийском технологическом институте показывает способ значительно улучшить эту хрупкую сверхпроводимость с помощью диселенида вольфрама.

В новой работе, которая была опубликована в журнале Nature 11 января, Стеван Надж-Перге, доцент кафедры прикладной физики и материаловедения, и его коллеги обнаружили, что когда диселенид вольфрама помещается поверх двухслойного графена, сверхпроводимость нескрученного графена значительно улучшается. Примечательно, что критическая температура сверхпроводимости, то есть самая высокая температура, при которой материал может сверхпроводить, увеличивается в 10 раз. Находясь в непосредственной близости от графена, диселенид вольфрама наделяет преимущества поворота под «магическим углом» для более массовый раскрученный графен. Это открытие дает новое представление о природе сверхпроводимости и предлагает стратегии повышения сверхпроводимости в других родственных материалах на основе графена.

«Эти двухслойные графеновые устройства замечательно настраиваются», — говорит Надж-Перге, автор новой работы. «Например, применяя электрические поля, мы можем добавлять или удалять электроны из двойного слоя, а также подталкивать их к диселениду вольфрама и от него. Это позволило нам тщательно изучить усиление сверхпроводимости в системе».

«Высокий уровень настраиваемости открывает возможности для будущих приложений», — продолжает Надж-Перге. «Одним из основных преимуществ нескрученных графеновых сверхпроводников по сравнению с их скрученными аналогами является то, что они намного чище с точки зрения беспорядка и дефектов и технически намного проще в изготовлении. Это означает, что эти структуры могут быть более подходящими для приложений, где необходимо сделать множество идентичных копий одной и той же архитектуры устройства».