Фізика
Фізика

Фізики перетворили графен на ізолятор та надпровідник одночасно

Закручений під «магічним кутом» графен показав одночасно і надпровідні, і ізоляціні властивості, причому на відстані всього кілька нанометрів. Цього вдалося досягти за допомогою джозефсонових переходів, які контролювали прикладеним зовнішнім електричним полем. Результати роботи дослідники опублікували у журналі Nature Nanotechnology.

ETH Zurich / F. de Vries

ETH Zurich / F. de Vries

Звідки у графену надпровідність з ізоляцією одночасно?

Графен — форма вуглецю, товщиною в один атом, став зараз чи не найуніверсальнішим експериментальним матеріалом для фізиків. Завдяки його двомірності, електронні властивості у ньому є досить специфічними і графен набуває максимальної рухливості носіїв заряду серед усіх відомих матеріалів. А тому в одному монокристалі він об’єднує і металеві, і надпровідні, магнітні, і ізоляційні властивості. Зокрема він дає можливість керувати ними, якщо його скрутити під «магічним кутом» або скласти з нього «сендвіч» із меташарами інших матеріалів. Всі можливі конфігурації графену є перспективними платформами для дослідження нової квантової фізики і високотемпературних надпровідників, яким вдається переносити струм без опору за більш прийнятних та іноді навіть кімнатних температур. Ще більш зручним надпровідний графен робить можливість вмикати та вимикати у ньому цю властивість, застосовуючи зовнішню напругу, щоб змінити кількість електронів, що протікають через матеріал.

Однак, велика щільність носіїв заряду все ж обмежує електростатичне управління, а тому налаштованості можна досягти лише за створення тих самих «сендвічів» із графену. Так, наприклад, фізики поуправляли надпровідністю у графені, однак після того, як склали кілька графенових шарів разом. Через дуже малу довжину когерентності, тобто відстань на якій хвиля не втрачає свого «зв’язку» з іншою, у графені складно побудувати, наприклад, джозефонові переходи. Вони являють собою природне джерело електромагнітних коливань, яке швидко перестроюється за частотою, напругою, а тому є зручним способом контролювати властивості матеріалів.

Отримане за допомогою скануючої електронної мікроскопії зображення графену, закрученого під «магічним кутом» у конфігурації надпровідник-ізолятор-надпровідник. ETH Zurich / F. de Vries

Отримане за допомогою скануючої електронної мікроскопії зображення графену, закрученого під «магічним кутом» у конфігурації надпровідник-ізолятор-надпровідник. ETH Zurich / F. de Vries

Як налаштувати такий графен?

Джозефсонові переходи, являють собою деякий слабкий електричний зв'язок між двома надпровідниками. Такі контакти Джозефсона дуже чутливі до магнітних полів, тому їх використовують, наприклад, як високочутливі магнітні сенсори. Хоча існує безліч потенційних додатків для реалізації таких пристроїв, їхнє створення стримується необхідністю чітко розрізняти матеріали з різними властивостями. Або області різних властивостей в одному матеріалі. Фактично цей зв'язок можна здійснити через явище тунелювання між двома плівковими надпровідниками через дуже тонкий (десятки ангстрем) шар ізолятора, або через структури типу «місток» — вузькі надпровідні перемички, містки, обмежені двома масивними надпровідними електродами. За словами вчених, їхня робота є першим кроком до створення пристроїв, в яких окремі когерентні стани, які можна буде контролювати, тобто перемикати, затвором у єдиній монокристалічній наноструктурі. Це необхідно для розробки надпровідної електроніки, квантових інформаційних технологій, а також досліджень надпровідності у графені загалом.

Що потрібно зробити з графеном?

У єдиному кристалі закрученого під кутом 1.06 градуса графену фізикам вдалося створити пристрій з чітко розділеними межами надпровідник-ізолятор-надпровідник. Поєднання таких різних властивостей — поганої провідності та провідності без опору — вдалося досягти саме налаштуванням джозефсонових переходів всередині монокристала. Збільшуючи і зменшуючи напругу затвора, вчені змінювали критичну температуру, за якої матеріал переставав розсіювати енергію і ставав надпровідним або навпаки припиняв проводити струм. У складеному таким чином графені вдалося розділити три такі зони, кожна з яких піддавалася впливу напруги. Свій експеримент фізики проводили за температури -273,138 градуса Цельсія.

Про цікаві можливості графену ми також писали раніше. Так фізиками вже вдалося графен намагнітити, покерувати у ньому надпровідністю аж двома способами та навіть заплутати у ньому електрони.