Фізика
Фізика

У закрученому під «магічним кутом» графені налаштували надпровідність

Американські фізики знайшли надпровідність у надрешітках з тришарового графену, середній шар якого закрутили під «магічним кутом» відносно зовнішніх та змогли поуправляти нею двома способами. Концентрацію електронів їм вдалося змінити і за допомогою зміни напруги на затворах резистора, і за допомогою прикладеного зовнішнього електричного поля. Ця нова тришарова конфігурація демонструє більш надійну надпровідність, ніж її двошаровий аналог, повідомляється у статті, опублікованій у журналі Nature.

Тришаровий графен під магічним кутом в уявленні художника, де щільно зв’язані електрони (жовті сфери, з’єднані блакитними ореолами) вказують на сильно зв’язаний надпровідний стан нової структури / lla Maru Studio

Тришаровий графен під магічним кутом в уявленні художника, де щільно зв’язані електрони (жовті сфери, з’єднані блакитними ореолами) вказують на сильно зв’язаний надпровідний стан нової структури / lla Maru Studio

Навіщо налаштовувати надпровідність?

Традиційні надпровідники, у яких опір зникає за близьких до нуля температур, пояснює теорія Бардіна-Купера-Шріффера та куперівські пари, які об’єднують електрони. На жаль, теорія БКШ працює тільки для надпровідників за досить низьких температур, які не перевищують кількох десятків кельвінів. Однак зараз фізикам відомо багато інших з’єднань, які переходять у надпровідний стан за температур 100-150 кельвінів. Такі високотемпературні надпровідники називають нетрадиційними і поки теорії для пояснення їхнього існування немає. Розуміння механізму високотемпературної надпровідності є центральною проблемою фізики конденсованого середовища, яка займається дослідженнями макроскопічних і мікроскопічних властивостей речовини та взаємодію між її компонентами.

Одним із запропонованих підходів для нетрадиційних надпровідників вважається модель Габбарда, яка описує перехід метал-надпровідник та може пояснити виникнення ізоляційних властивостей в діелектриках Мотта, які насправді мали б бути провідниками. Модель описує стрибки електронів між різними положеннями в кристалічній решітці і їхню взаємодію при потраплянні на одну ділянку. Однак точного рішення моделі Габбарда дуже складно досягти саме через цю сильну електрон-електронну взаємодію. Тому для фізиків дуже бажано експериментально вивчити цю модельну систему, в якій нетрадиційна надпровідність може безперервно налаштовуватися шляхом зміни параметрів Габбарда.

А тришаровий графен — це не лише найміцніше пов'язаний надпровідник з коли-небудь виявлених, але і той, параметри якого можна змінювати. Ця структурна складність спрямована на те, щоб налаштувати ефект електронної взаємодії та дослідити надпровідність у всьому фазовому просторі.

Що таке «магічний кут»?

Два шари графену трансформуються у надпровідник і дають змогу електронам проходити без опору і втрати енергії , якщо їх розмістити під правильним, «магічним», кутом. Так фізики називають кут, за якого швидкість Фермі в матеріалі падає до нуля — ‘magic’ angle twisted bilayer graphene. Для двошарового графену цей «магічний кут» близький до 1,1 градуса, а у новій роботі вчені визначили його для тришарового графену як 1,56 градуса. Це величина, на яку середній шар буде повернений відносно зовнішніх шарів, а скручена конфігурація створить таку симетрію, яка спонукатиме електрони в матеріалі утворити пари і рухатися без опору — надпровідність.

Як вчені поуправляли надпровідністю?

Фізики уклали шари графену під точними кутами і створили кілька тришарових структур, кожна розміром кілька мікрометрів та висотою в три атоми. Потім вони прикріпили електроди до кінців структури і пропустили електричний струм, вимірюючи кількість енергії, втраченої або розсіяної в матеріалі. Розсіювання енергії не відбулося, а отже вони точно отримали надпровідник.

Для попередніх досліджень двошарових графенових конструкцій, вчені могли регулювати надпровідність, застосовуючи зовнішню напругу на затворі, щоб змінити кількість електронів, що протікають через матеріал. Збільшуючи і зменшуючи напругу затвора, вони вимірювали критичну температуру, за якої матеріал переставав розсіювати енергію і ставав надпровідним. Таким чином, команда змогла налаштувати надпровідність двошарового графену, подібно транзистору. Це ж саме вдалося зробити і для тришарової конструкції, однак вчені також відкрили другий спосіб контролювати надпровідність матеріалу, який був неможливий в двошаровому графені та інших подібно скручених структурах.

Використовуючи додатковий електрод, дослідники могли докласти зовнішнє електричне поле для зміни розподілу електронів між трьома шарами структури, не змінюючи при цьому загальну електронну щільність структури. Причому, за другого способу вони спостерігали надпровідність у різних умовах, у тому числі за відносно високої критичної температури в три градуси Кельвіна, навіть коли матеріал мав низьку щільність електронів. Дослідники планують повторити свої експерименти і з графеновими структурами з більш ніж трьома шарами, щоб побачити, чи можуть такі конфігурації з більш високою електронною щільністю проявляти надпровідність за вищих температур, навіть близьких до кімнатної.

швидкість Фермі
швидкість, з якою електрони все-одно продовжують рухатися навіть за температури 0 кельвінів