Нематический порядок в скрученном двухслойном графене. Кредит: Сейичиро Онари

Сверхпроводники — это материалы, которые проводят электрический ток практически без электрического сопротивления. Эта способность делает их чрезвычайно интересными и привлекательными для множества приложений, таких как силовые кабели без потерь, электродвигатели и генераторы, а также мощные электромагниты, которые можно использовать для визуализации МРТ и для поездов на магнитной подушке. Теперь исследователи из Университета Нагои подробно описали сверхпроводящую природу нового класса сверхпроводящего материала, двухслойного графена, скрученного под магическим углом.

Чтобы материал вел себя как сверхпроводник, необходимы низкие температуры. Большинство материалов переходят в сверхпроводящую фазу только при экстремально низких температурах, таких как -270°C, что ниже, чем измеренные в космосе. Это сильно ограничивает их практическое применение, поскольку для такого экстенсивного охлаждения требуется очень дорогое и специализированное оборудование для охлаждения жидким гелием. Это основная причина, по которой сверхпроводящие технологии все еще находятся в зачаточном состоянии.

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), такие как некоторые образцы на основе железа и меди, переходят в сверхпроводящую фазу при температуре выше –200 °C, что легче достижимо при использовании жидкого азота, который охлаждает систему до –195,8 °C. Однако промышленное и коммерческое применение ВТС до сих пор было ограничено. Известные и доступные в настоящее время ВТСП-материалы представляют собой хрупкие керамические материалы, которые не являются пластичными и не могут быть преобразованы в полезные формы, такие как провода. Кроме того, они, как известно, сложны и дороги в производстве. Это делает поиск новых сверхпроводящих материалов критическим и важным направлением исследований для таких физиков, как профессор Хироши Контани и доктор Сейичиро Онари с физического факультета Университета Нагоя.

Недавно в качестве потенциального сверхпроводника был предложен новый материал, называемый двухслойным графеном, скрученным под магическим углом (MATBG). В MATBG два слоя графена, по сути, одиночные двумерные слои углерода, расположенные в сотовой решетке, смещены на магический угол (около 1,1 градуса), что приводит к нарушению вращательной симметрии и формированию симметрии высокого порядка, известный как SU (4). При изменении температуры система испытывает квантовые флуктуации, подобные ряби воды в атомной структуре, которые приводят к новым спонтанным изменениям в электронной структуре и уменьшению симметрии. Это нарушение вращательной симметрии известно как нематическое состояние, и оно тесно связано со сверхпроводящими свойствами других материалов.

В своей работе, недавно опубликованной в Physical Review Letters , профессор Контани и доктор Онари используют теоретические методы, чтобы лучше понять источник этого нематического состояния в MATBG. «Поскольку мы знаем, что высокотемпературная сверхпроводимость может быть вызвана нематическими флуктуациями в сильно коррелированных электронных системах, таких как сверхпроводники на основе железа, выяснение механизма и происхождения этого нематического порядка может привести к разработке и появлению высокотемпературных сверхпроводников», — объясняет доктор Онари.

Исследователи обнаружили, что нематический порядок в MATBG возникает из-за интерференции между флуктуациями новой степени свободы, которая сочетает степени свободы долины и спиновые степени свободы, о чем не сообщалось в традиционных сильно коррелированных электронных системах. Температура сверхпроводящего перехода скрученного двухслойного графена очень низка и составляет 1 К (–272 °С), но нематическому состоянию удается повысить ее на несколько градусов.

Их результаты также показывают, что, хотя MATBG ведет себя в некотором роде как высокотемпературный сверхпроводник на основе железа, он также обладает некоторыми весьма интересными свойствами, такими как суммарный ток петли заряда, порождающий магнитное поле в поляризованном долинном состоянии. в то время как петлевой ток компенсируется каждой долиной в нематическом состоянии. Кроме того, пластичность графена также может сыграть важную роль в расширении практического применения этих сверхпроводников. Благодаря лучшему пониманию основных механизмов сверхпроводимости наука и технология приближаются к проводящему будущему, которое действительно супер.

Статья «Механизм интерференции SU (4) долины + спиновых флуктуаций для нематического порядка в скрученном под магическим углом двухслойном графене: влияние вершинных поправок» была опубликована в журнале Physical Review Letters 9 февраля 2022 г.