Искривлённый графен
демонстрирует экзотическую
сверхпроводимость.
Сверхпроводимость — это возникающая при определённых условиях способность некоторых материалов проводить электрический ток с нулевым сопротивлением. Это очень непростое явление, которое, тем не менее, довольно легко представить. Вот, скажем, у нас есть цепь из нескольких электронов: они протекают сквозь решётку из положительно заряженных атомов, но не просто протекают, а деформируют её. Так, первый электрон, притягивая к себе атомы решётки, создаёт область повышенного «плюсового» заряда, которой мало одного этого электрона, и она как бы «засасывает» следующую «минусовую» порцию — следующую частицу. С некоторыми допущениями это можно сравнить с областями положительного и отрицательного давления. И пусть на самом деле всё гораздо сложнее, огромные преимущества, которые сулит сверхпроводимость, делают её одной из наиболее активно исследуемых областей в мире.
Мы уже многое знаем о свойствах этого особого состояния материалов помимо отсутствия какого-либо сопротивления току. Так, переход в него становится возможен только с понижением температуры вещества до какого-то конкретного порога — своего для каждого материала. При этом получается диамагнетик — вытесняя магнитное поле из своего объёма, сверхпроводящий материал лишается собственного магнитного момента, даже будучи погружённым в магнитное поле. Известно также, что одни сверхпроводники не могут выдерживать сильные магнитные поля, а другие — вполне на это способны.
Есть и более экзотические свойства: например, эффект двойного купола. Своё название он получил из отображения сверхпроводящих областей материала: на графике зависимости его сверхпроводимости от количества содержащихся в нём электронов, эти области походят на два отдельных «купола». Это означает странную вещь: сверхпроводимость в материале неравномерна. В одном месте она есть, в другом пропадает, а затем снова появляется. Это странное структурирование проводящих «окон» добавляет забот в разработке и использовании сверхпроводников.
Вообще, такая «двухуровневость» уже наблюдалась в некоторых сложных материалах. Графен — как раз из их числа. Пусть толщина его слоя составляет всего один атом, эти организованные на манер пчелиных сот атомы углерода демонстрируют весьма необычные эффекты. Например, попытка скрутить два слоя под определённым углом вызовет неожиданное поведение электронов и возникновение квантовых фаз — так и получаются магнетизм, электроизоляция и сама сверхпроводимость.
Учёным хотелось бы научиться управлять двойным куполом, и в поисках возможностей сделать это, команда, возглавляемая Митали Банерджи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), вместе с партнёрами из Швейцарии, Великобритании и Японии, решила скрутить три слоя графена. Оказалось, что добавление третьего слоя делает систему не только ещё более сложной, но и управляемой. Трёхслойный графен с магическим углом скручивания (или MATTG — Magic-angle twisted trilayer graphene) позволяет напрямую управлять структурой двухкупольной сверхпроводимости.
Тщательно укладывая слои и регулируя электрическое поле, исследователи могли точно настроить систему и отслеживать, где появлялась или исчезала сверхпроводимость по мере изменения количества электронов. Опираясь на теорию, они провели эксперименты, в ходе которых было обнаружена зависимость появления двух отдельных сверхпроводящих области — тех самых «куполов» — от постепенного изменения количества электронов в MATTG. Эта работа показала работающий метод создания контролируемой нетрадиционной сверхпроводимости в двумерных материалах.
Мало того, в результате открыт способ дополнительной настройки зонной структуры материала — то есть найденный набор правил, определяющих способы поведения и перемещения электронов внутри материала, позволяет контролировать появление и исчезновение двойного купола. И это при том, что ранее для графеновых систем двухкупольный паттерн сверхпроводимости только предполагался.
На этом сюрпризы не закончились. Оказывается, в скрученном трёхслойном графене, разделяясь на два отдельных «купола» в зависимости от плотности электронов, сверхпроводимость между «куполами» подавляется сильнее обычного. Это может быть следствием соперничества между «куполами», которые довольно сильно отличаются друг от друга. Один из них демонстрирует плавное наступление сверхпроводящего состояния без каких-то необычных явлений, а вот со вторым всё было не так однозначно. С одной стороны, его переходы в сверхпроводимость более резки и внезапны переход, но помимо этого измерения выявили своего рода «память» в реакции материала на электрический ток. А именно — его реакция на увеличение силы тока отличалась от реакции на уменьшение силы тока.
Исследователи разработали теоретическую модель для интерпретации результатов своих экспериментов. Видимо, тонкие изменения в расположении электронов, обусловленные как взаимодействиями, так и приложенным полем смещения, определяют, где именно будет преобладать сверхпроводимость. Данные указывают на различные типы спаривания электронов (образования куперовских пар) в двух куполах, что, как полагают авторы, связано с изменениями в электронном «порядке» системы.
В исследовании подчёркивается, что MATTG — это первая система, в которой сверхпроводимостью с двойным куполом можно напрямую управлять с помощью электрического поля. По сути это новые возможности для изучения того, как возникает нетрадиционная сверхпроводимость и как её можно настраивать, а также для разработки квантовых устройств или исследования новых состояний вещества в искусственных материалах.