Фізика
Фізика

Закручений під магічним кутом графен обійшов межу Паулі

Фізики з MIT закрутили тришаровий графен на 1,56 градуса та перетворили його на магнітостійкий надпровідник — його властивості встояли перед магнітним полем. Причому його спарені електрони справилися навіть з 10 Тесла, що в три рази вище за передбачену для них межу Паулі. Дивну поведінку графенового «сендвіча», яку не може пояснити теорія для найпоширеніших надпровідників, дослідники описали у Nature.

MIT News

MIT News

Яку межу перейшов графен?

Здатність проводити струм без опору — надпровідність — пояснюють об'єднанням електронів у матеріалі у так звані куперівські пари. Так електрони разом рухаються кристалічною решіткою та не розсіюють енергію під час зіткнень з нею. Сьогодні вчені знають кілька сотень чистих матеріалів, сплавів, керамік і з'єднань, де електрони здатні на таке об'єднання за певної критичної температури. Але такі куперівські пари в умовах сильного магнітного поля розпадатимуться — енергія електронів з протилежними спінами розійдеться на величину, пропорційну величині поля, що руйнує надпровідність. Таке значення магнітного поля і є межею Паулі — вище цієї межі утворення куперівських пар енергетично невигідно.

У своїй роботі вчені використовували муарові структури графену — складені під певними «магічними» кутами шари вуглецевих решіток, товщиною в один атом. І несподівано для них, надпровідність у графені справилася з полем у 10 Тесла, що приблизно в три рази вище за межу Паулі. Причому збільшуючи магнітне поле навколо «сендвіча» графену, вони також спостерігали, що надпровідність трималася до певного моменту, перш ніж зникнути, але потім знову з'явилася при більш високих значеннях поля — явище оборотної надпровідності.

Який кут виявився магічним?

Щоб електрони не втрачали енергію, їх потрібно розмістити під правильним, «магічним», кутом. Так фізики називають кут, за якого швидкість Фермі в матеріалі падає до нуля, а електрони локалізуються у місцях зближення шарів решітки. Для двошарового графену цей «магічний кут» близький до 1,1 градуса, а для тришарового графенового «сендвіча» його визначили як 1,56 градуса. На таку величину середній шар буде повернений відносно зовнішніх шарів, а скручена конструкція утворить необхідну симетрію. Далі до свого зразка вчені під'єднали електроди, щоб регулювати його електронну структуру і властивості. Таким чином цій же групі дослідників раніше вдалося налаштувати надпровідність у тришаровому графеновому надпровіднику.

Муаровий візерунок на графені, закрученому під магічним кутом / MIT News

Муаровий візерунок на графені, закрученому під магічним кутом / MIT News

Чому графен так поводився?

Однак іноді навіть за дії сильних магнітних полів енергія обох електронів у куперівській парі зміщується в одному напрямку, так що вони не розтягуються, а продовжують нести надпровідність без збурень, незалежно від напруженості магнітного поля. Зазвичай такого не відбувається у звичайних надпровідниках, пояснюваних теорією Бардіна-Купера-Шріфера. У них зв'язок електронів описується спін-синглетним спарюванням — по двоє об'єднуються електрони з протилежними спінами та разом мають нульовий спін — синглет. Результати експерименту припускають, що графен слід віднести до більш рідкісного явища триплетної надпровідності, яка передбачає спарювання електронів з односпрямованими спінами, стани яких у сумі дають одиницю. Цей варіант видається вченим найбільш життєздатним, адже побачена ними поведінка може не пояснюватися сильним спін-орбітальним зв'язком у графену (взаємодії спина електрона з його власним орбітальним рухом) — у цьому матеріалі такий зв'язок надзвичайно слабкий. Набагато вище поле за межу Паулі можуть витримати пари Фульде-Феррелла-Ларкіна-Овчиннікова (FFLO). Але графік поведінки електронів у досліджуваному графені натякає, що утворення таких пар дуже малоймовірне навіть близько до критичної температури. Тож вченим залишається лише проводити додаткові дослідження, щоб, можливо, віднести графен до спін-триплетного надпровідника.

Графен ще довго буде головною експериментальною платформою — лише у дослідженнях надпровідності фізики згинають і закручують його, а також керують провідними властивостями у ньому, як-то перетворюють графен на ізолятор та надпровідник одночасно чи «вмикають-вимикають» надпровідність.