Сверхпроводимость
Сверхпроводимость — это физическое явление, при котором электрическое сопротивление некоторых материалов становится равным нулю ниже определённых критических температур. Это явление возникает благодаря образованию так называемых куперовских пар — пар электронов.
Существует два известных типа сверхпроводимости: обычная и необычная.
В обычных сверхпроводниках образование куперовских пар происходит за счёт взаимодействия электронов и фононов (колебаний в кристаллической решётке), как объясняется теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ).
Необычные сверхпроводники — это материалы, которые демонстрируют сверхпроводимость, не обусловленную электрон-фононным взаимодействием. Хотя многие исследования в прошлом пытались пролить свет на механизмы, лежащие в основе необычной сверхпроводимости, её физика остаётся недостаточно изученной.
Исследование механизмов необычной сверхпроводимости
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT), Гарвардского университета и Национального института материаловедения в Японии недавно попытались лучше понять механизмы, лежащие в основе необычной сверхпроводимости, наблюдаемой в твитестованных графеновых монокристаллических гетероструктурах. Эти материалы состоят из сложенных листов графена, повёрнутых друг относительно друга под углом примерно 1,1°.
Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, раскрывает большую и настраиваемую кинетическую индуктивность в твитестованном трёхслойном графене, предлагая новое понимание основ сверхпроводимости в монокристаллических материалах.
«Это был настоящий момент, когда Пабло Харилло-Эрреро и его команда обнародовали сенсационное открытие в 2018 году», — рассказал Паритош Карнатак, соавтор статьи. «Они продемонстрировали, что два слоя графена, повёрнутые друг относительно друга на определённый малый угол, проявляют сверхпроводимость в определённом диапазоне легирования (числовой плотности носителей заряда) и другие неожиданные коррелированные состояния».
Экспериментальное исследование
В рамках своего исследования Карнатак и его коллеги впервые реализовали сверхпроводящие переходы в твитестованном графене. Эти переходы — это области, в которых два сверхпроводящих материала (токоведущие элементы) соединены тонким барьером.
«Мы использовали сверхпроводящие токоведущие элементы, изготовленные из обычного сверхпроводника», — объяснил Кристиан Шёненбергер, соавтор статьи. «Два токоведущих элемента сужены до масштаба менее одного микрометра и разделены друг от друга на короткое расстояние, обычно также в микрометровом или субмикрометровом масштабе. Между «кончиками» двух токоведущих элементов находится стопка MATG. Легирование стопки можно контролировать с помощью другого электрода, также изготовленного рядом с переходом».
Если стопка MATG в сверхпроводящих переходах не является сверхпроводящей, а состоит из нормального металла, устройства называются S-N-S переходами. В этом контексте «S» означает «сверхпроводник», а «N» — «нормальный металл».
«Два «S» в обозначении S-N-S обозначают два токоведущих элемента, которые соединяются с частью «N», частью из нормального металла», — сказал Шёненбергер. «Если, с другой стороны, стопка становится сверхпроводящей, мы называем переход слабым звеном и обозначаем его как S-S’-S, где S’ относится к сверхпроводящей стопке MATG».
Измеряя сверхток как функцию (фазового) смещения, можно получить характерные свойства переходов, и, что наиболее важно, S-N-S и S-S’-S переходы демонстрируют различную зависимость сверхтока. В нашем эксперименте мы определяем эту разницу, показывая, что переход с MATG превращается в слабое звено, устройство S-S’-S, когда входит в фазовое пространство (контролируемое температурой и состоянием легирования), где сопротивление падает до малых значений, что указывает на сверхпроводящее состояние.
Наблюдение низкого сопротивления в этих переходах, о котором сообщили исследователи, намекает на наличие сверхпроводимости. Однако одно только низкое сопротивление не является доказательством сверхпроводимости, поэтому команда также должна была продемонстрировать, что их материал вытесняет магнитные поля.
«Это именно то, что мы продемонстрировали», — сказал Шёненбергер. «Характеристики слабого звена показывают, что материал ведёт себя как индуктор, а не как резистор, значение которого мы определяем в эксперименте».
В конечном итоге Карнатак, Шёненбергер и их коллеги смогли количественно определить кинетическую индуктивность твитестованного трёхслойного графена, которая возникает из-за инерции парных электронов в сверхпроводящем состоянии. Примечательно, что измеренная кинетическая индуктивность достигла значений, почти в 50 раз превышающих те, что наблюдаются в известных сверхпроводниках с высокой кинетической индуктивностью.
Это многообещающий результат, поскольку сверхпроводники с высокой кинетической индуктивностью обычно выгодны для развития квантовых технологий. Более ранние исследования показывают, что они могут быть особенно перспективными для совершенствования детекторов одиночных фотонов, платформ для сверхпроводящих квантовых битов и систем квантового зондирования.
«Учитывая возможность настройки суперпроводника с помощью затвора, мы изучаем обратную зависимость между кинетической индуктивностью и критическим током (максимальным, при котором сверхпроводник становится нормальным проводником) в одном устройстве», — сказал Шёненбергер. «Эта обратная зависимость также раскрывает длину когерентности сверхпроводника — грубо говоря, «размер» электронных пар, ответственных за сверхпроводящее состояние. Мы измеряем большую длину когерентности, чем сообщалось в более ранних исследованиях, используя разные экспериментальные методы на этом материале».
Хотя механизмы, «связывающие» электроны в необычных сверхпроводниках, ещё не ясны, это недавнее исследование может помочь их раскрыть. В частности, оно представляет экспериментальные методы количественной оценки кинетической индуктивности в сверхпроводниках и измерения длины их когерентности.
«Мы считаем, что наше исследование приведёт к небольшим шагам в направлении предоставления намёков на понимание сверхпроводимости в этих материалах и, возможно, к поиску других новых сверхпроводников», — сказал Шёненбергер.
Недавняя работа Карнатака, Шёненбергера и их коллег вскоре может вдохновить на дальнейшие исследования, оценивающие кинетическую индуктивность и квантовую когерентность в монокристаллических сверхпроводниках. Исследователи планируют продолжить изучение основ сверхпроводимости в твитестованном трёхслойном графене и других твитестованных графеновых монокристаллических гетероструктурах.