Физикам удалось зарегистрировать одномерную близость сверхпроводимости в квантовом режиме Холла. Устойчивый результат был получен в двуслойном слабо скрученном графене. Статья об этом исследовании опубликована в Nature.
Эта новость появилась на N + 1 при поддержке ежегодной Национальной премии в области будущих технологий «Вызов». В 2023 году ее присудили за ионный квантовый процессор, магниты из высокотемпературного сверхпроводника, вычислительные устройства на основе поляритонов и оптический транзистор, а также открытия, позволившие создать новые подходы для лечения заболеваний мозга
Эффект близости сверхпроводимости возникает в обычном проводнике, находящемся в контакте со сверхпроводником. При этом в обычном проводнике наблюдаются признаки слабой сверхпроводимости. Значительный интерес как для прикладного применения, так и с точки зрения фундаментальной науки, вызывает сверхпроводящий эффект близости на основе квазиодномерных проводников, а особенно квантовых проводников Холла. Такие проводники помогли бы избежать подавления эффекта близости сильными поперечными магнитными полями, а также привели бы к возникновению топологически защищенных поверхностных квазичастиц. Впрочем, до сих пор объединить одномерную близость сверхпроводимости и квантовый эффект Холла не удавалось.
Одним из направлений поиска такого объединения стало изучения свойств графена. В частности, ученые обнаружили, что поворот на магический угол приводит к собственной сверхпроводимости двуслойного графена. Позже физики это объяснили необычной структурой электронных зон.
Теперь группа физиков под руководством нобелевского лауреата Андрея Гейма (Andre Geim) и Жюльена Барриера (Julien Barrier) из Манчестерского университета и ряда других институтов зарегистрировала одномерную близость сверхпроводимости в квантовом режиме Холла. Для этого ученые использовали двуслойный графен с углом поворота слоев относительно друг друга не более 0,1 градуса. В такой сборке происходит перестройка кристаллической решетки и образуются достаточно большие области двуслойного графена, сложенного по Берналю. Такие области оказываются разделены узкими доменными стенками толщиной около 10 нанометров.
Ученые создали несколько джозефсоновских переходов, размещая образцы двуслойного графена между двумя сверхпроводящими электродами из ниобия-титана (NbTi). В результате эти образцы играли роль обычного металла в соединении сверхпроводник — обычный металл — сверхпроводник. Физики изучали характеристики образцов, измеряя зависимость тока от приложенного напряжения при различных поперечных магнитных полях.
Ученые обнаружили, что доменные стенки в минимально скрученном двухслойном графене поддерживают исключительно устойчивый сверхпроводящий эффект близости в квантовом режиме Холла, позволяя джозефсоновским переходам работать в полях, близких к верхнему критическому полю сверхпроводящих электродов. Физики отмечают, что критический ток практически не менялся во всем диапазоне квантующих полей, а его величина оказалась ограничена квантовой проводимостью баллистических, строго одномерных электронных каналов, находящихся внутри доменных стенок.
От редактора
Термин «близость сверхпроводимости» (proximity superconductivity), который используют авторы статьи, соответствует уже существующему термину «эффект близости» (proximity effect). В литературе можно также встретить название «эффект Холма — Мейснера», по фамилиям авторов новаторской работы, опубликованной в 1932 году. Мы обратились за разъяснением к авторам статьи в Nature. Андрей Гейм — автор-корреспондент — от комментариев отказался, а соавтор работы Владимир Фалько посоветовал использовать термин «сверхпроводящий эффект близости».
Поворот слоев графена друг относительно друга придает удивительные свойства этому материалу. Более подробно об этом читайте в нашем материале «Тонко закручено».