В скрученном трехслойном графене обнаружена необычная сверхпроводимость
Возможность включать и выключать сверхпроводимость буквально щелчком выключателя в так называемом «скрученном под магическим углом графене» позволила инженерам Калифорнийского технологического института наблюдать необычное явление, которое может пролить новый свет на сверхпроводимость в целом. Исследование, проведенное Стеваном Надж-Перге, доцентом кафедры прикладной физики и материаловедения, было опубликовано в журнале Nature 15 июня.
Поверхность трехслойного графена, полученная с помощью сканирующего туннельного микроскопа. За счет скручивания второго слоя высота трислоя модулируется с периодом около 9 нанометров. Предоставлено: Калифорнийский технологический институт.
Скрученный под магическим углом графен, впервые обнаруженный в 2018 году, состоит из двух или трех листов графена (форма углерода, состоящая из одного слоя атомов в виде сотовой решетки), наложенных друг на друга, причем каждый лист скручен ровно на 1,05 градуса по отношению к находящемуся под ним. Полученный бислой или трислой обладает необычными электронными свойствами: например, его можно превратить в изолятор или сверхпроводник в зависимости от того, сколько электронов добавлено.
Сверхпроводники — это материалы, которые демонстрируют особое электронное состояние, в котором электроны могут свободно течь через материалы без сопротивления — это означает, что электричество проходит через них без каких-либо потерь энергии на тепло. Такая сверхэффективная передача электроэнергии имеет бесконечное количество потенциальных применений в области вычислительной техники, электроники и других областях.
Однако загвоздка со сверхпроводимостью заключается в том, что в большинстве материалов это происходит при чрезвычайно низких температурах, обычно всего на несколько градусов выше абсолютного нуля (-273,15 градуса Цельсия). При таких температурах электроны образуют пары, которые ведут себя принципиально иначе, чем отдельные электроны, и конденсируются в квантово-механическое состояние, которое позволяет электронным парам течь, не рассеиваясь.
Впервые сверхпроводимость была обнаружена более века назад, однако ученые до сих пор не до конца понимают точные механизмы образования электронных пар для некоторых материалов. Хорошо известно, что в обычных сверхпроводниках , таких как металлический алюминий, притяжение между электронами, которое приводит к образованию электронных пар, связано с взаимодействием электронов с кристаллической решеткой материала. Поведение этих материалов описывается с помощью теории Бардина-Купера-Шриффера (БКШ), названной в честь Джона Бардина, Леона Купера и Джона Роберта Шриффера, получивших Нобелевскую премию по физике в 1972 году за разработку теории.
Изучая три слоя графена, скрученные под магическим углом, Надж-Перге и его коллеги обнаружили, что сверхпроводимость в этом материале проявляет несколько очень необычных свойств, которые нельзя описать с помощью теории BSC, что делает его, вероятно, также нетрадиционным сверхпроводником.
Они измерили эволюцию так называемой сверхпроводящей щели по мере того, как электроны удаляются из трехслойного слоя с помощью переключателя, который включает или выключает электрическое поле . Сверхпроводящая щель — это свойство, которое описывает, насколько сложно добавлять или удалять отдельные электроны в сверхпроводнике. Поскольку электроны в сверхпроводнике стремятся образовать пары, для разрыва этих пар требуется определенное количество энергии. Однако количество энергии может быть разным для пар, движущихся в разных направлениях относительно кристаллической решетки. В результате «зазор» имеет специфическую форму, которая определяется вероятностью того, что пары будут разорваны при определенном количестве энергии.
«Несмотря на то, что сверхпроводники существуют уже давно, удивительно новая особенность скрученных двухслойных и трехслойных графеновых материалов заключается в том, что сверхпроводимость в этих материалах может быть включена простым приложением напряжения к соседнему электроду», — говорит Надж-Перге, корреспондент автор статьи в журнале Nature. «Электрическое поле эффективно добавляет или удаляет лишние электроны. Оно работает так же, как управление током в обычных транзисторах, и это позволило нам исследовать сверхпроводимость способами, которые невозможно сделать в других материалах».
Группа установила, что в скрученных трехслойных слоях присутствуют два режима сверхпроводимости с профилями сверхпроводящей щели разной формы. Если один из режимов, возможно, можно объяснить теорией, в чем-то похожей на БКШ, то наличие двух режимов показывает, что внутри сверхпроводящей фазы, вероятно, имеет место дополнительный переход. Это наблюдение, наряду с измерениями, проведенными при различных температурах и магнитных полях, указывает на нетрадиционный характер сверхпроводимости в трех слоях.
Новое понимание команды Надж-Перге дает важные подсказки для будущих теорий сверхпроводимости в скрученных мультислоях графена. Надж-Перге отмечает, что, по-видимому, большее количество слоев делает сверхпроводимость более надежной, оставаясь при этом легко настраиваемой, и это свойство открывает различные возможности использования скрученных трехслоев для сверхпроводящих устройств, которые когда-нибудь могут быть использованы в квантовой науке и, возможно, в квантовой обработке информации.
«Помимо его фундаментального значения для нашего понимания сверхпроводимости, примечательно, что добавление дополнительного графенового слоя облегчило изучение сверхпроводящих свойств. В конечном итоге это то, что позволило нам сделать наши открытия», — говорит Надж-Перге.
Статья называется «Доказательства нетрадиционной сверхпроводимости в скрученном трехслойном графене».
