Теперь новые эксперименты, проведенные в Принстоне, намекают на то, как этот материал, известный как графен, закрученный под магическим углом, вызывает сверхпроводимость. В выпуске журнала Nature на этой неделе исследователи из Принстона предоставляют убедительные доказательства того, что сверхпроводящее поведение возникает из-за сильного взаимодействия между электронами, что дает понимание правил, которым следуют электроны при возникновении сверхпроводимости.
«Это одна из самых горячих тем в физике», – сказал Али Яздани, профессор физики 1909 года и старший автор исследования. "Это невероятно простой материал, всего два углеродных листа, которые вы наклеиваете один на другой, и он демонстрирует сверхпроводимость."
Как именно возникает сверхпроводимость – загадка, разгадывать которую спешат лаборатории по всему миру. У этой области даже есть название «твистроникс»."
Отчасти волнение заключается в том, что по сравнению с существующими сверхпроводниками этот материал довольно легко изучать, поскольку он имеет всего два слоя и только один тип атомов – углерод.
«Главное в этом новом материале – это то, что это площадка для всех тех видов физики, о которых люди думали последние 40 лет», – сказал Б. Андрей Берневиг, профессор физики, специализирующийся на теории объяснения сложных материалов.
Механизм сверхпроводимости в новом материале принципиально отличается от механизма традиционных сверхпроводников, которые сегодня используются в мощных магнитах и других ограниченных приложениях. Этот новый материал имеет сходство с высокотемпературными сверхпроводниками на основе меди, обнаруженными в 1980-х годах и называемыми купратами.
Открытие купратов привело к присуждению Нобелевской премии по физике в 1987 году.
Новый материал состоит из двух атомно тонких листов углерода, известных как графен. Графен, также получивший Нобелевскую премию по физике в 2010 году, имеет плоский сотовый рисунок, похожий на кусок проволочной сетки. В марте 2018 года Пабло Харилло-Эрреро и его команда из Массачусетского технологического института поместили второй слой графена поверх первого, затем повернули верхний лист на «магический» угол около 1.1 градус.
Ранее физики предсказывали, что этот угол вызовет новые электронные взаимодействия, но он стал шоком, когда ученые Массачусетского технологического института продемонстрировали сверхпроводимость.
Если смотреть сверху, перекрывающиеся узоры из проволочной сетки создают эффект мерцания, известный как «муар», который возникает, когда два геометрически правильных узора накладываются друг на друга, и который когда-то был популярен в тканях и моде королевских особ 17 и 18 веков.
Эти муаровые узоры приводят к появлению совершенно новых свойств, которых нет у обычных материалов. Самые обычные материалы попадают в спектр от изоляционных до проводящих.
Изоляторы захватывают электроны в энергетические карманы или уровни, которые удерживают их на месте, в то время как металлы содержат энергетические состояния, которые позволяют электронам летать от атома к атому. В обоих случаях электроны занимают разные уровни энергии и не взаимодействуют и не участвуют в коллективном поведении.
Однако в скрученном графене физическая структура муаровой решетки создает энергетические состояния, которые не позволяют электронам стоять отдельно, заставляя их взаимодействовать. «Это создает условия, при которых электроны не могут убежать друг от друга, и вместо этого все они должны находиться на одинаковых энергетических уровнях, что является основным условием для создания сильно запутанных состояний», – сказал Яздани.
Исследователи задали вопрос, имеет ли эта запутанность какую-либо связь с его сверхпроводимостью.
Многие простые металлы также являются сверхпроводниками, но все обнаруженные к настоящему времени высокотемпературные сверхпроводники, включая купраты, демонстрируют сильно запутанные состояния, вызванные взаимным отталкиванием электронов. Сильное взаимодействие между электронами, по-видимому, является ключом к достижению более высокотемпературной сверхпроводимости.
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи из Принстона использовали сканирующий туннельный микроскоп, который настолько чувствителен, что может отображать отдельные атомы на поверхности. Команда отсканировала образцы скрученного под магическим углом графена, в которых они контролировали количество электронов, подавая напряжение на соседний электрод.
Исследование предоставило микроскопическую информацию о поведении электронов в скрученном двухслойном графене, тогда как большинство других исследований на сегодняшний день отслеживают только макроскопическую электрическую проводимость.
Набирая количество электронов до очень низких или очень высоких концентраций, исследователи наблюдали, как электроны ведут себя почти независимо, как в простых металлах. Однако при критической концентрации электронов, когда в этой системе была обнаружена сверхпроводимость, электроны внезапно проявили признаки сильного взаимодействия и запутанности.
В концентрации, где возникла сверхпроводимость, команда обнаружила, что уровни энергии электронов стали неожиданно широкими, сигналы, подтверждающие сильное взаимодействие и запутанность. Тем не менее, Бернвиг подчеркнул, что, хотя эти эксперименты открывают дверь для дальнейших исследований, необходимо проделать дополнительную работу, чтобы детально понять тип возникающей запутанности.
«Мы до сих пор так многого не знаем об этих системах», – сказал он. "Мы даже близко не подошли к тому, что можно узнать с помощью экспериментов и теоретического моделирования."
В исследование вошли Кендзи Ватанабэ и Такаши Танигучи из Национального института материаловедения Японии; аспирант и первый автор Юнлун Се, научный сотрудник постдокторантуры Бертольд Джек, научный сотрудник постдокторантуры Сяомэн Лю и аспирант Чэн-Ли Чиу из исследовательской группы Яздани; и Бяо Лянь в исследовательской группе Берневига.