Это важное открытие произошло в 2018 году. В прошлом году, в 2019 году, когда исследователи ICFO улучшали качество устройства, используемого для воспроизведения такого прорыва, они наткнулись на нечто еще большее и совершенно неожиданное.
Они смогли наблюдать зоопарк ранее ненаблюдаемых сверхпроводящих и коррелированных состояний в дополнение к совершенно новому набору магнитных и топологических состояний, открыв совершенно новую область более богатой физики.
Пока нет теории, которая могла бы объяснить сверхпроводимость в графене с магическим углом на микроскопическом уровне. Однако это открытие вызвало множество исследований, которые пытаются понять и раскрыть физику всех этих явлений, которые происходят в этом материале. В частности, ученые провели аналогии с нетрадиционными высокотемпературными сверхпроводниками – купратами, которые обладают рекордно высокими сверхпроводящими температурами, всего в 2 раза ниже комнатной.
Их микроскопический механизм сверхпроводящей фазы все еще не изучен, спустя 30 лет после ее открытия. Однако, как и в случае с двухслойным графеном, закрученным под магическим углом (MATBG), считается, что изолирующая фаза отвечает за сверхпроводящую фазу в непосредственной близости от него.
Понимание взаимосвязи между сверхпроводящей и изолирующей фазами находится в центре внимания исследователей и может привести к большому прорыву в исследованиях сверхпроводимости.
Преследуя это, в исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature, исследователи ICFO Петр Степанов, Ипсита Дас, Сяобо Лу, Франк Х. L. Коппенс под руководством проф. Дмитрий Ефетов в сотрудничестве с междисциплинарной группой ученых из Массачусетского технологического института, Национального института материаловедения в Японии и Имперского колледжа Лондона глубже изучил физическое поведение этой системы и сообщил о подробном тестировании и проверке Magic- Устройства с угловым скрученным двухслойным графеном (MATBG) с несколькими углами закрутки, близкими к магическим, для поиска возможного объяснения упомянутых состояний.
В своем эксперименте они смогли одновременно управлять скоростью и энергиями взаимодействия электронов и, таким образом, превратить изолирующие фазы в сверхпроводящие.
Обычно под магическим углом образуется изолирующее состояние, так как электроны имеют очень маленькие скорости, и вдобавок они сильно отталкиваются друг от друга за счет кулоновской силы. В этом исследовании Степанов и его команда использовали устройства с углами поворота, немного отличными от магического угла 1.1 ° на ± 0.05 °, и разместил эти очень близко к металлическим экранирующим слоям, разделяя их всего на несколько нанометров за счет изолирующих слоев гексагонального нитрида бора.
Это позволило уменьшить силу отталкивания между электронами и ускорить их, позволяя им свободно перемещаться, выходя из изолирующего состояния.
При этом Степанов и его коллеги заметили нечто весьма неожиданное. При изменении напряжения (плотности носителей) в различных конфигурациях устройства фаза сверхпроводимости оставалась, а фаза коррелированного изолятора исчезла.
Фактически, сверхпроводящая фаза охватывала большие области плотностей, даже когда плотность носителей менялась. Такие наблюдения предполагают, что изолирующая и сверхпроводящая фазы, вместо того, чтобы иметь одно и то же общее происхождение, на самом деле могли конкурировать друг с другом, что ставит под сомнение простую аналогию с купратами, которая считалась ранее. Однако вскоре ученый понял, что сверхпроводящая фаза может быть еще более интересной, поскольку находится в непосредственной близости от топологических состояний, которые активируются повторяющимся электронным взаимодействием при приложении магнитного поля.
Сверхпроводимость с графеном под магическим углом
Сверхпроводимость при комнатной температуре является ключом ко многим технологическим целям, таким как эффективная передача энергии, поезда без трения или даже квантовые компьютеры. Когда более 100 лет назад было обнаружено, что сверхпроводимость возможна только в материалах, охлажденных до температур, близких к абсолютному нулю. Затем, в конце 80-х, ученые открыли высокотемпературные сверхпроводники с помощью керамических материалов, называемых купратами.
Несмотря на сложность создания сверхпроводников и необходимость применять экстремальные условия (очень сильные магнитные поля) для изучения материала, это поле стало чем-то вроде святого Грааля среди ученых, основанных на этом достижении. С прошлого года ажиотаж вокруг этой области усилился.
Двойные монослои углерода увлекли исследователей, потому что, в отличие от купратов, их структурная простота стала отличной платформой для изучения сложной физики сверхпроводимости.