Результаты исследования могут открыть путь к новым формам высокотемпературных сверхпроводников.
Сверхпроводники подобны экспрессам в метро: любое электричество, которое «попадает» в сверхпроводящий материал, может проходить через него без остановок и потерь энергии. Поэтому сверхпроводники чрезвычайно энергоэффективны и используются сегодня в различных приложениях: от аппаратов МРТ до ускорителей частиц.
Однако эти «обычные» сверхпроводники несколько ограничены в использовании, поскольку их необходимо охлаждать до сверхнизких температур с помощью сложных систем охлаждения, чтобы поддерживать их в сверхпроводящем состоянии. Если бы сверхпроводники могли работать при более высоких, близких к комнатной, температурах, они открыли бы новый мир технологий: от силовых кабелей с нулевыми потерями энергии и электрических сетей до практических систем квантовых вычислений.
Поэтому учёные MIT и других институтов изучают «необычные» сверхпроводники — материалы, которые проявляют сверхпроводимость иначе, чем современные сверхпроводники, и потенциально более перспективны.
Физики из MIT сообщили о наблюдении новых ключевых доказательств необычной сверхпроводимости в «магическом угле» скрученного трёхслойного графена (MATTG) — материале, который изготавливается путём укладки трёх атомно-тонких листов графена под определённым углом, что позволяет проявить экзотические свойства.
Непрямые намёки на необычную сверхпроводимость
Ранее MATTG уже демонстрировал косвенные намёки на необычную сверхпроводимость и другое странное электронное поведение. Новое открытие, опубликованное в журнале Science, предлагает наиболее прямое подтверждение того, что материал проявляет необычную сверхпроводимость.
В частности, команда смогла измерить сверхпроводящий зазор MATTG — свойство, которое описывает, насколько устойчиво сверхпроводящее состояние материала при заданных температурах. Они обнаружили, что сверхпроводящий зазор MATTG выглядит совсем иначе, чем у типичного сверхпроводника, а это означает, что механизм, с помощью которого материал становится сверхпроводящим, также должен быть другим и необычным.
«Существует множество различных механизмов, которые могут привести к сверхпроводимости в материалах, — говорит соавтор исследования Шувен Сун, аспирант физического факультета MIT. — Сверхпроводящий зазор даёт нам подсказку о том, какой механизм может привести к появлению таких вещей, как сверхпроводники при комнатной температуре, которые в конечном итоге принесут пользу человеческому обществу».
Исследователи сделали своё открытие, используя новую экспериментальную платформу, которая позволяет им «наблюдать» за сверхпроводящим зазором по мере того, как сверхпроводимость возникает в двумерных материалах в режиме реального времени. Они планируют применить платформу для дальнейшего изучения MATTG и для картирования сверхпроводящего зазора в других двумерных материалах — это может выявить многообещающих кандидатов для будущих технологий.
«Понимание одного необычного сверхпроводника может привести к пониманию остальных, — говорит Пабло Харилло-Эрреро, профессор физики в MIT и старший автор исследования. — Это понимание может помочь разработать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, что является, своего рода, Святым Граалем всей области».
Графен и его свойства
Графен — это материал, который состоит из одного слоя атомов углерода, связанных в шестиугольном узоре, напоминающем проволочную сетку. Лист графена можно выделить, осторожно отслаивая атомарно-тонкую чешуйку из блока графита (того же материала, из которого сделан грифель карандаша).
В 2010-х годах теоретики предсказали, что если два слоя графена сложить под очень особым углом, полученная структура должна быть способна к экзотическому электронному поведению.
В 2018 году Харилло-Эрреро и его коллеги первыми получили магический углеродный графен в экспериментах и наблюдали некоторые из его необычных свойств. Это открытие положило начало совершенно новой области, известной как «твистроника», и изучению атомарно тонких, точно скрученных материалов.
Группа Харилло-Эрреро с тех пор изучала другие конфигурации магического углеродного графена с двумя, тремя и более слоями, а также слоисто-скрученные структуры из других двумерных материалов. Их работа, наряду с работой других групп, выявила некоторые признаки необычной сверхпроводимости в некоторых структурах.
Сверхпроводимость
Сверхпроводимость — это состояние, которое материал может проявлять при определённых условиях (обычно при очень низких температурах). Когда материал является сверхпроводником, любые проходящие через него электроны могут объединяться в пары, а не отталкиваться и рассеиваться. Когда они объединяются в так называемые «куперовские пары», электроны могут скользить по материалу без трения, вместо того чтобы сталкиваться друг с другом и разлетаться, теряя энергию.
«В обычных сверхпроводниках электроны в этих парах находятся очень далеко друг от друга и слабо связаны, — говорит Парк. — Но в магическом углеродном графене мы уже видели признаки того, что эти пары очень тесно связаны, почти как молекулы. Были намёки на то, что в этом материале есть что-то особенное».
Туннелирование
В своём новом исследовании Харилло-Эрреро и его коллеги стремились непосредственно наблюдать и подтвердить необычную сверхпроводимость в структуре магического углеродного графена. Для этого им нужно было измерить сверхпроводящий зазор материала.
«Когда материал становится сверхпроводящим, электроны движутся вместе парами, а не поодиночке, и существует энергетический „зазор“, который отражает, как они связаны, — объясняет Парк. — Форма и симметрия этого зазора говорят нам об основной природе сверхпроводимости».
Учёные измеряли сверхпроводящий зазор в материалах с помощью специализированных методов, таких как туннельная спектроскопия. Этот метод использует квантово-механическое свойство, известное как «туннелирование». В квантовом масштабе электрон ведёт себя не только как частица, но и как волна; таким образом, его волновые свойства позволяют электрону проходить, или «туннелировать», через материал, как если бы он мог проходить сквозь стены.
Такие измерения туннельной спектроскопии могут дать представление о том, насколько легко электрону туннелировать в материал, и в некотором смысле о том, насколько плотно упакованы и связаны электроны в материале. При проведении в сверхпроводящем состоянии это может отражать свойства сверхпроводящего зазора. Однако одна только туннельная спектроскопия не всегда может определить, находится ли материал в сверхпроводящем состоянии.
В своей новой работе Парк и её коллеги разработали экспериментальную платформу, которая сочетает туннелирование с электрическим транспортом — методом, который используется для измерения сверхпроводимости материала путём пропускания тока и непрерывного измерения его электрического сопротивления (нулевое сопротивление сигнализирует о том, что материал находится в сверхпроводящем состоянии).
Команда применила новую платформу для измерения сверхпроводящего зазора в MATTG. Комбинируя туннельные и транспортные измерения в одном устройстве, они смогли однозначно идентифицировать сверхпроводящий туннельный зазор, который появлялся только тогда, когда материал демонстрировал нулевое электрическое сопротивление, что является признаком сверхпроводимости. Затем они проследили, как этот зазор менялся при различных температурах и магнитных полях.
Примечательно, что зазор имел отчётливый V-образный профиль, который явно отличался от плоского и однородного профиля обычных сверхпроводников. Эта V-образная форма отражает определённый необычный механизм, с помощью которого электроны в MATTG объединяются в пары для сверхпроводимости. Что именно это за механизм, остаётся неизвестным. Но тот факт, что форма сверхпроводящего зазора в MATTG отличается от формы типичного сверхпроводника, является ключевым доказательством того, что материал является необычным сверхпроводником.
В обычных сверхпроводниках электроны объединяются в пары за счёт колебаний окружающей атомной решётки, которые эффективно сталкивают частицы вместе. Но Парк подозревает, что в MATTG может действовать другой механизм.
«В этой системе магического углеродного графена существуют теории, объясняющие, что спаривание, вероятно, возникает из-за сильных электронных взаимодействий, а не колебаний решётки, — полагает она. — Это означает, что электроны сами помогают друг другу объединяться в пары, формируя сверхпроводящее состояние со специальной симметрией».
В дальнейшем команда будет тестировать другие двумерные скрученные структуры и материалы, используя новую экспериментальную платформу.
«Это позволяет нам как идентифицировать, так и изучать основные электронные структуры сверхпроводимости и другие квантовые фазы по мере их возникновения в одном и том же образце, — говорит Парк. — Такой прямой взгляд может показать, как электроны объединяются в пары и конкурируют с другими состояниями, прокладывая путь к разработке и управлению новыми сверхпроводниками и квантовыми материалами, которые однажды могут обеспечить более эффективные технологии или квантовые компьютеры».
Это исследование частично финансировалось Управлением исследований армии США, Управлением научных исследований ВВС США, Фондом исследований полупроводников Samsung при MIT/MTL, программой Sagol WIS-MIT, Национальным научным фондом, Фондом Гордона и Бетти Мур и Фондом Рамона Аресеса.