Структуры в форме сот, сделанные из атомов углерода, известные как графен, могут проводить электрический ток без сопротивления, когда они скручены друг против друга. Предоставлено: Инсбрукский университет.

С момента первого успешного изготовления двумерной структуры атомов углерода около 20 лет назад графен очаровывал ученых. Несколько лет назад исследователи обнаружили, что два слоя графена, слегка скрученных друг против друга, могут без потерь проводить электрический ток. В последние годы это открытие побудило ученых более подробно изучить такие слоистые материалы. Недавний примечательный пример — зеркально-симметричный скрученный трехслойный графен, где три слоя графена уложены друг на друга с чередующимися углами кручения. Это первая муаровая система, которую можно эффективно настроить с помощью перпендикулярного электрического поля, и которая, как было экспериментально продемонстрировано, демонстрирует надежную сверхпроводимость наряду с различными другими фазами. «Это делает трехслойный графен захватывающей платформой для сложной физики многих тел.

В статье, опубликованной в Physical Review X, группа под руководством Шойрера численно и аналитически изучила фазовую диаграмму этой системы для различного количества электронов на элементарную ячейку муара и в зависимости от электрического поля. «Это очень сложная задача, поскольку в системе есть как плоские, так и полосы с высокой дисперсией», — говорит физик-теоретик. «Тем не менее, нам удалось показать, что основное состояние системы в отсутствие поля распадается на произведение основного состояния графена и основного состояния скрученного двухслойного графена», — свойство, которое впоследствии было подтверждено экспериментами.

Их результаты дополнительно устанавливают преобладание диэлектрической и полуметаллической фаз в присутствии электрического поля, которое уникально для трехслойной системы, т. е. не реализуется в скрученном двухслойном графене. «Мы можем использовать нашу полученную фазовую диаграмму для коррелированных нормальных состояний, чтобы ограничить форму сверхпроводника», — говорит Шойрер. «Помимо других аспектов, полученные в результате два сверхпроводящих кандидата состояния, которые мы получаем, согласуются с неожиданной стабильностью сверхпроводника в магнитном поле, наблюдаемой в эксперименте».

Актуальность результатов для физики скрученного трехслойного графена подтверждается последующим сотрудничеством с группой Абхая Пасупати из Колумбийского университета. В недавней статье в журнале Science они сообщают о данных сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) об этой системе. «Мы показываем, что измеренные спектры туннелирования демонстрируют значительные эффекты взаимодействия, которые могут быть качественно зафиксированы числовыми показателями нашей работы», — говорит Матиас Шойрер.