Теперь команда под руководством Колумбийского университета разработала новый метод тонкой настройки соседних слоев графена – кружевных, похожих на соты листов атомов углерода – для создания сверхпроводимости. Их исследования позволяют по-новому взглянуть на физику, лежащую в основе интригующих характеристик этого двумерного материала.
Статья команды опубликована в январе. 24 выпуск журнала Science.
«Наша работа демонстрирует новые способы создания сверхпроводимости в скрученном двухслойном графене, в частности, достигаемые путем приложения давления», – сказал Кори Дин, доцент кафедры физики Колумбийского университета и главный исследователь. «Это также является важным первым подтверждением прошлогодних результатов MIT – что двухслойный графен может проявлять электронные свойства при скручивании под углом – и способствует нашему пониманию системы, что чрезвычайно важно для этой новой области исследований."
В марте 2018 года исследователи из Массачусетского технологического института сообщили о революционном открытии: два слоя графена могут проводить электричество без сопротивления, когда угол закручивания между ними равен 1.1 градус, называемый «магическим углом»."
Но попасть в этот магический угол оказалось сложно. "Слои должны быть скручены примерно на одну десятую градуса около 1.1, что экспериментально сложно ", – сказал Дин. "Мы обнаружили, что очень маленькие ошибки при выравнивании могут давать совершенно разные результаты."
Поэтому Дин и его коллеги, в число которых входят ученые из Национального института материаловедения и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, решили проверить, можно ли достичь условий магического угла при больших вращениях.
«Вместо того, чтобы пытаться точно контролировать угол, мы спросили, можем ли мы вместо этого изменять расстояние между слоями», – сказал Мэтью Янковиц, научный сотрудник отдела физики Колумбийского университета и первый автор исследования. "Таким образом, любой угол поворота в принципе можно превратить в магический угол."
Они исследовали образец с углом закрутки 1.3 градуса – лишь немного больше магического угла, но все же достаточно далеко, чтобы исключить сверхпроводимость.
Приложение давления превращало материал из металла либо в изолятор, в котором не может течь электричество, либо в сверхпроводник, где электрический ток может проходить без сопротивления – в зависимости от количества электронов в материале.
«Примечательно, что, применяя давление более 10 000 атмосфер, мы наблюдаем появление изолирующей и сверхпроводящей фаз», – сказал Дин. Кроме того, сверхпроводимость развивается при самой высокой температуре, наблюдаемой в графене до сих пор, чуть более 3 градусов выше абсолютного нуля."
Чтобы достичь высоких давлений, необходимых для индукции сверхпроводимости, команда работала в тесном сотрудничестве с пользовательским центром National High Magnetic Field, известным как Maglab, в Таллахасси, Флорида.
«Эта работа была огромной технической проблемой, – сказал Дин. «После изготовления одного из самых уникальных устройств, с которыми мы когда-либо работали, нам пришлось объединить криогенные температуры, сильные магнитные поля и высокое давление – и все это при измерении электрического отклика.
Собрать все это вместе было непростой задачей, и наша способность заставить это работать – действительно дань фантастическому опыту в Maglab."
Исследователи считают, что возможно дальнейшее повышение критической температуры сверхпроводимости при еще более высоких давлениях.
Конечная цель – когда-нибудь разработать сверхпроводник, который сможет работать в условиях комнатной температуры, и хотя это может оказаться сложной задачей для графена, это может послужить дорожной картой для достижения этой цели в других материалах.
Андреа Янг, доцент кафедры физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, соавтор исследования, сказала, что работа ясно демонстрирует, что сжатие слоев имеет тот же эффект, что и их скручивание, и предлагает альтернативную парадигму для управления электронными свойствами в графене.
«Наши результаты значительно ослабляют ограничения, затрудняющие изучение системы, и дают нам новые возможности для управления ею», – сказал Янг.
Дин и Янг теперь скручивают и сжимают различные атомно-тонкие материалы в надежде обнаружить сверхпроводимость, возникающую в других двумерных системах.
«Понимание того,« почему »что-то из этого происходит, является сложной задачей, но имеет решающее значение для того, чтобы в конечном итоге использовать силу этого материала – и наша работа начинает разгадывать тайну», – сказал Дин.