Множество ранее ненаблюдаемых состояний графена со смещенными слоями

Понимание взаимосвязи между сверхпроводящей и изолирующей фазами находится в центре внимания исследователей и может привести к большому прорыву в изучении сверхпроводимости материалов

Если поместить один слой графена поверх другого и повернуть их под углом 1,1° (не больше и не меньше) относительно друг друга, на так называемый «магический» угол, то, согласно экспериментальным доказательствам, такое расположение слоев позволяет материалу демонстрировать и свойства изолятора, по которому не может течь электрический ток, и сверхпроводника, в котором ток течет практически без сопротивления.

Кристаллическую структуру однослойного графена можно описать как простое повторение атомов углерода в элементарной ячейке. Когда два слоя графена наложены друг на друга под небольшим углом, они образуют муаровый узор или сверхрешетку, в которой элементарная ячейка сильно расширяется, как если бы 2D-кристалл был искусственно растянут в 100 раз во всех направлениях. Это растяжение резко меняет взаимодействия и свойства электронов, а простое изменение угла между слоями 2D материала меняет его электронную зонную структуру.

Это важное открытие состоялось еще в 2018 году. Однако в прошлом, в 2019 году, пока исследователи из ICFO (Института фотонных наук, Барселона, Испания) улучшали устройство, которое использовали для проведения своих экспериментов, ученые наткнулись на более важное и совершенно неожиданное явление.

Они смогли наблюдать множество ранее ненаблюдаемых сверхпроводящих и взаимосвязанных явлений в дополнение к совершенно новому набору магнитных и топологических состояний, открыв совершенно неизученную обширную область физики.

Пока не существует единой теории, которая могла бы объяснить сверхпроводимость графена с магическим углом на микроскопическом уровне. Тем не менее, это открытие повлекло за собой множество исследований, с помощью которых ученые пытаются понять и раскрыть физические тайны всех этих явлений, происходящих в материале.

В частности, ученые провели аналогии с необычными высокотемпературными сверхпроводниками - купратами, которые обладают рекордно высокими сверхпроводящими температурами, всего в 2 раза ниже комнатной.

Микроскопический механизм сверхпроводящей фазы, протекающей в этих материалах, все еще не изучен даже спустя 30 лет после ее открытия. Однако, как и в случае с двухслойным графеном, в котором присутствует смещение слоев под магическим углом, считается, что изолирующая фаза отвечает за сверхпроводящее состояние материала в непосредственной близости от нее.

Понимание взаимосвязи между сверхпроводящей и изолирующей фазами находится в центре внимания исследователей и может привести к большому прорыву в изучении сверхпроводимости материалов.

Следуя этой идее, был проведен глубокий анализ физического поведения двухслойного графена с магическим углом, а также с несколькими положениями, близкими к магическому углу, чтобы найти возможное объяснение упомянутым состояниям.

В своем эксперименте исследователи смогли управлять одновременно скоростью и энергией взаимодействия электронов, тем самым достигнув преобразования изолирующих фаз в сверхпроводящие.

Обычно при магическом угле образуется изолирующее состояние материала, так как электроны имеют очень малые скорости и, кроме того, они сильно отталкиваются друг от друга за счет кулоновских сил.

В этом исследовании использовались структуры с углами поворота, немного отличающимися от магического угла 1,1° на ± 0,05°, которые разместили очень близко к металлическим экранирующим слоям, разделив их всего на несколько нанометров за счет гексагонального нитрида бора. Это позволило уменьшить силу отталкивания между электронами и ускорить их, позволив им свободно перемещаться, выходя из изолирующего состояния.

При этом было замечено нечто весьма неожиданное. При изменении напряжения в различных конфигурациях устройства фаза сверхпроводимости сохранялась, а взаимосвязанная изолирующая фаза исчезала. Плотность электронов в этой системе можно регулировать, воздействуя электромагнитным полем, которое позволяет изменять силу электрон-электронного взаимодействия.

Такие наблюдения говорят о том, что вместо того, чтобы иметь общее происхождение, изолирующая и сверхпроводящая фазы на самом деле конкурируют друг с другом, что ставит под сомнение простую аналогию с купратами, которую использовали ранее для объяснения таких явлений.

Сверхпроводящая фаза может быть более интересной для изучения, так как находится в непосредственной близости к топологическим состояниям, которые активируются повторяющимся электронным взаимодействием под влиянием магнитного поля.

Сверхпроводимость графена

Сверхпроводимость при комнатной температуре открывает потрясающие технологические возможности, такие как передача энергии без потерь, движение поездов без трения или создание квантовых компьютеров. Открытую более 100 лет назад сверхпроводимость до недавнего времени можно было получить только в материалах, охлажденных до температур, близких к абсолютному нулю.

В конце 80-х с помощью керамических материалов были открыты высокотемпературные сверхпроводники, называемые купратами. С прошлого года ажиотаж вокруг этой области науки усилился.

Двойные углеродные слои увлекают исследователей, потому что, в отличие от купратов, их структурная простота может стать отличной платформой для проведения исследований сложного физического явления - сверхпроводимости.

Связанная статья журнала Nature (2020): https://doi.org/10.1038/s41586-020-2459-6