Физика твердого тела достигла этапа, когда исследователи могут не просто наблюдать за свойствами материалов, но и детально разбирать механизмы их возникновения на квантовом уровне.
Что скрывается за сверхпроводимостью графена
Одной из самых обсуждаемых тем последних лет стал графен, слои которого повернуты друг относительно друга на строго определенный угол. В таком состоянии обычный углерод приобретает свойства сверхпроводника — материала, способного проводить электрический ток без потерь энергии.
Однако до недавнего времени ученые не могли точно определить, какие именно процессы внутри материала приводят к появлению сверхпроводимости, а какие — лишь имитируют её признаки.
Группа физиков из Калифорнийского технологического института и Принстона под руководством Стевана Надь-Перге представила исследование, в котором впервые удалось разделить две конкурирующие фазы в трехслойном графене. Это открытие объясняет структуру энергетических состояний электронов, лежащую в основе квантовых эффектов.
Природа "магического" угла и поведение электронов
Графен состоит из одного слоя атомов углерода, расположенных в узлах кристаллической решетки. Если наложить несколько слоев друг на друга и повернуть их на угол около 1,6 градуса, возникает эффект муара. Это периодическое изменение структуры, которое радикально меняет поведение электронов. В обычном состоянии электроны в графене движутся с очень высокой скоростью. Но при повороте на "магический" угол их скорость резко снижается.
Когда электроны замедляются, их кинетическая энергия становится минимальной. В этот момент на первый план выходит кулоновское взаимодействие — силы отталкивания между одноименно заряженными частицами. Электроны начинают чувствовать друг друга и действовать коллективно.
Такое состояние физики называют сильными электронными корреляциями. Именно они порождают сложные фазы вещества, включая диэлектрические состояния и сверхпроводимость.
Проблема псевдощели
Одной из главных загадок магического графена была так называемая псевдощель. В физике энергетическая щель — это диапазон энергий, который электроны не могут занимать. Наличие такой щели на уровне Ферми (высшем энергетическом уровне электронов при абсолютном нуле) обычно указывает либо на диэлектрик, либо на сверхпроводник.
В предыдущих экспериментах ученые видели широкую щель в энергетическом спектре графена. Она выглядела как признак сверхпроводимости, но сохранялась при температурах и магнитных полях, которые должны были бы разрушить сверхпроводящее состояние.
Это создавало путаницу: было неясно, является ли сверхпроводимость графена самостоятельным явлением или она неразрывно связана с этой другой, более устойчивой фазой.
Открытие двух энергетических зазоров
Используя метод сканирующей туннельной микроскопии, авторы нового исследования провели измерения с высокой точностью. Они использовали сверхтонкую иглу микроскопа, чтобы измерить ток между ней и поверхностью графена. Этот ток напрямую зависит от плотности состояний электронов при определенных энергиях.
Эксперимент показал, что на самом деле на уровне Ферми существуют две разные щели, вложенные друг в друга.
Первая, "внешняя" щель, возникает при относительно высоких температурах. Исследователи установили, что она связана с явлением междолинной когерентности. В структуре графена электроны могут занимать два разных квантовых состояния, называемых "долинами" (это связано с их импульсом).
В состоянии когеренности электроны из разных долин начинают взаимодействовать, образуя стабильный порядок. Этот порядок сохраняется в сильных магнитных полях и не исчезает при частичном нагреве.
Вторая, "внутренняя" щель, обнаруживается только при экстремальном охлаждении — ниже 1,5 Кельвина. Именно эта щель напрямую связана с возникновением сверхпроводимости. Она оказалась гораздо более хрупкой: даже небольшое внешнее магнитное поле (около 600 мТл) полностью её закрывает.
Доказательство через андреевское отражение
Чтобы окончательно подтвердить сверхпроводящую природу внутренней щели, физики применили метод спектроскопии андреевского отражения. Суть этого квантового процесса заключается в следующем: когда электрон из обычного металла (в данном случае — из иглы микроскопа) пытается попасть в сверхпроводник, он не может сделать это в одиночку, так как в сверхпроводнике ток переносят пары электронов (куперовские пары).
Электрон вынужден найти себе партнера. При этом из сверхпроводника обратно в металл вылетает "дырка" — положительно заряженная квазичастица. Этот процесс удваивает проводимость контакта. Измерения показали, что усиление проводимости, характерное для эффекта Андреева, происходит только в диапазоне энергий внутренней щели.
Это стало прямым доказательством того, что за сверхпроводимость отвечает именно внутренняя структура спектра, а внешняя щель лишь создает для неё энергетический фон.
Модель тяжелых фермионов и резонанс Кондо
Для объяснения того, почему вообще возникают эти щели, авторы использовали модель "тяжелых фермионов". В физике твердого тела эта модель описывает системы, где электроны приобретают огромную эффективную массу из-за взаимодействия с локализованными зарядами.
В магическом графене муаровый узор создает области, где электроны фактически стоят на месте (локализованные состояния). Эти "неподвижные" электроны взаимодействуют с другими, более подвижными электронами. В результате возникает так называемый резонанс Абрикосова — Сула — Кондо — резкий всплеск плотности электронных состояний на уровне Ферми.
Исследование показало, что сначала этот резонанс расщепляется из-за возникновения междолинного порядка, формируя внешнюю щель. А затем, внутри этого расщепленного пика, электроны начинают объединяться в пары, создавая сверхпроводящую внутреннюю щель.
Это означает, что в магическом графене существует строгая иерархия фаз: сверхпроводимость не возникает сама по себе, она вырастает внутри уже сформированного коррелированного состояния.
Роль структурных дефектов
Еще одним подтверждением разделения двух фаз стало изучение границ доменов внутри графена. В процессе изготовления образцов слои графена могут немного смещаться, образуя "полосы" — области с нарушенной симметрией упаковки атомов.
Физики обнаружили, что в этих дефектных зонах внешняя щель (междолинная когерентность) полностью исчезает. Однако внутренняя сверхпроводящая щель остается стабильной и почти не меняет своего размера.
Наблюдение подтверждает, что сверхпроводимость в графене обладает определенной устойчивостью к локальным дефектам структуры, в то время как другие электронные фазы требуют идеальной чистоты и симметрии решетки.
Последствия для фундаментальной науки
Результаты этой работы позволяют пересмотреть теоретическую базу, на которой строится наше понимание двумерных материалов. Ранее многие ученые считали, что сверхпроводимость и псевдощель в графене — это части одного и того же процесса. Теперь стало ясно, что это разные явления, вызванные разными механизмами взаимодействия электронов.
Это открытие дает четкие ориентиры для поиска новых материалов. Если мы понимаем, что сверхпроводимость требует предварительного формирования определенного электронного порядка (как междолинная когерентность), мы можем пытаться искусственно создавать такие условия в других системах.
Кроме того, возможность разделять эти фазы с помощью внешнего напряжения на затворе и магнитных полей превращает магический графен в уникальный инструмент для управления квантовыми состояниями.
В перспективе это может привести к созданию новых типов электронных устройств, где рабочим процессом будет не просто движение заряда, а переключение между различными коллективными фазами электронов.