Учёные раскрыли связь между сверхпроводимостью и направлением движения электронов в графене

В ряде сверхпроводников электроны самопроизвольно выстраиваются в определённом направлении, нарушая вращательную симметрию. Это явление получило название электронной нематичности и отражает направленный характер поведения электронов внутри кристаллов. Дополнительно некоторые материалы демонстрируют так называемую «странную металличность» — особую фазу, при которой электрическое сопротивление изменяется нетипичным образом и не укладывается в классические физические модели.

Группа исследователей из Университета Брауна, Гарвардского университета и Национального института материаловедения Японии изучила, как сверхпроводимость, нематичность и странная металличность связаны между собой в трёхслойном графене с «магическим углом» скручивания. Результаты работы, опубликованные в Nature Physics, указали на более глубокую взаимосвязь этих квантовых состояний.

По словам старшего автора исследования Цзя Ли, ключевой задачей стало понимание того, как появление сверхпроводимости связано с угловой симметрией электронного транспорта. Особое внимание уделялось транспортной анизотропии — различию поведения электрического тока в зависимости от направления.

Трёхслойный графен с «магическим углом» состоит из нескольких слоёв графена, повернутых относительно друг друга под строго заданным углом. В этом материале электроны взаимодействуют особенно сильно, формируя сложные квантовые состояния, включая металлическую, сверхпроводящую и «странную металлическую» фазы.

Учёные рассматривали, как направленные свойства металлического состояния, возникающего перед переходом в сверхпроводимость, связаны с последующей сверхпроводящей фазой при более низких температурах. Ранее считалось, что симметрия сверхпроводимости является ключом к пониманию её природы, однако интерпретация осложнялась тем, что металлическое состояние уже обладает выраженной анизотропией.

Исследователи поставили вопрос о том, влияет ли эта анизотропия на формирование сверхпроводимости. В ходе работы они обнаружили, что направленные свойства металлической фазы действительно связаны с последующей сверхпроводящей фазой.

Эксперименты показали, что направление, в котором сверхпроводимость проявляется сильнее всего, совпадает с направлением повышенного сопротивления в металлическом состоянии. Таким образом, наименее «удобное» направление для тока в металле становится наиболее благоприятным для возникновения сверхпроводимости.

Для получения данных учёные провели серию квантовых экспериментов, пропуская ток через образцы графена под разными углами и фиксируя изменения сопротивления. Такой подход позволил подробно отследить, как электронные свойства меняются при переходе между фазами материала.

Отдельно исследовались три режима: металлическое состояние, сверхпроводимость и «странная металлическая» фаза. Полученные результаты показали, что эти состояния не являются независимыми, а тесно связаны между собой через направленные электронные свойства.

Разработанный метод измерений с учётом угловой зависимости позволил точнее описать симметрию электронных состояний и выявить ранее скрытые закономерности в поведении материала. По словам Цзя Ли, такой подход даёт возможность напрямую исследовать угловую симметрию сложных квантовых состояний и сравнивать различные электронные фазы в рамках единой экспериментальной схемы. Учёные считают, что выявленная связь между нематичностью, странной металличностью и сверхпроводимостью указывает на общую природу этих явлений в сильно взаимодействующих электронных системах.

Новый метод может применяться и к другим двумерным материалам, включая высокотемпературные сверхпроводники и муаровые структуры графена. Он позволяет изучать, как электронные состояния зависят от направления движения тока и как это связано с квантовыми фазами вещества.

Исследователи планируют продолжить работу с различными многослойными структурами графена, чтобы выявить универсальные закономерности между симметрией сверхпроводимости и измеряемыми транспортными характеристиками.

Читать далее →