Когда дело доходит до графена, оказывается, что сверхпроводимость является семейной.

Графен — это материал толщиной в один атом, который можно отделить от того же графита, что и карандашный грифель. Ультратонкий материал полностью состоит из атомов углерода, расположенных в виде простого шестиугольника, похожего на проволочную сетку. Было обнаружено, что с момента его выделения в 2004 году графен обладает многочисленными замечательными свойствами в своей однослойной форме.

В 2018 году исследователи Массачусетского технологического института обнаружили, что если два слоя графена уложить друг на друга под очень определенным «магическим» углом, скрученная двухслойная структура может демонстрировать надежную сверхпроводимость — широко искомое состояние материала, в котором электрический ток может протекать с нулевой потерей энергии. Недавно та же группа обнаружила, что подобное сверхпроводящее состояние существует в скрученном трехслойном графене — структуре, состоящей из трех слоев графена, уложенных друг на друга под точно новым магическим углом.

Теперь команда сообщает, что, как вы уже догадались, четыре и пять слоев графена можно скрутить и сложить под новыми магическими углами, чтобы получить надежную сверхпроводимость при низких температурах. Это последнее открытие, опубликованное на этой неделе в Nature Materials , устанавливает различные скрученные и сложенные конфигурации графена как первое известное «семейство» многослойных сверхпроводников с магическим углом. Команда также выявила сходства и различия между членами семейства графенов.

Полученные результаты могут послужить основой для разработки практичных сверхпроводников при комнатной температуре. Если бы свойства членов семьи можно было воспроизвести в других, естественно проводящих материалах, их можно было бы использовать, например, для подачи электричества без рассеяния или для создания поездов на магнитной подушке, которые движутся без трения.

«Система графена с магическим углом теперь является законной «семьей», помимо пары систем», — говорит ведущий автор Чон Мин (Джейн) Пак, аспирант физического факультета Массачусетского технологического института. «Наличие этого семейства имеет особое значение, поскольку оно позволяет разрабатывать надежные сверхпроводники».

‘Безлимитный’

Группа Харилло-Эрреро была первой, кто обнаружил графен под магическим углом в виде двухслойной структуры из двух листов графена, расположенных друг над другом и слегка смещенных под точным углом 1,1 градуса. Эта скрученная конфигурация, известная как муаровая сверхрешетка, превратила материал в прочный и стойкий сверхпроводник при сверхнизких температурах.

Исследователи также обнаружили, что материал имеет тип электронной структуры, известный как «плоская полоса», в которой электроны материала имеют одинаковую энергию, независимо от их импульса. В этом состоянии плоской полосы и при сверхнизких температурах обычно бешеные электроны коллективно замедляются настолько, чтобы образовать так называемые куперовские пары — важные составляющие сверхпроводимости, которые могут течь через материал без сопротивления.

Хотя исследователи заметили, что скрученный двухслойный графен проявляет как сверхпроводимость, так и плоскую зонную структуру, было неясно, возникло ли первое из второго.

«Не было никаких доказательств того, что плоская зонная структура приводит к сверхпроводимости», — говорит Парк. «С тех пор другие группы производили другие скрученные структуры из других материалов, которые имеют некоторую плоскую полосу, но на самом деле они не обладали надежной сверхпроводимостью. Поэтому мы задались вопросом: можем ли мы создать еще одно сверхпроводящее устройство с плоской полосой?»

При рассмотрении этого вопроса группа из Гарвардского университета провела расчеты, которые математически подтвердили, что три слоя графена, скрученные на 1,6 градуса, также будут иметь плоские полосы, и предположили, что они могут быть сверхпроводящими. Далее они показали, что не должно быть ограничений на количество графеновых слоев, обладающих сверхпроводимостью, если их правильно сложить и скрутить под углами, которые они также предсказали. Наконец, они доказали, что могут математически связать любую многослойную структуру с общей структурой плоской зоны — убедительное доказательство того, что плоская зона может привести к надежной сверхпроводимости.

«Они выяснили, что может существовать вся эта иерархия графеновых структур, вплоть до бесконечных слоев, которая может соответствовать аналогичному математическому выражению для плоской ленточной структуры», — говорит Парк.

Вскоре после этой работы группа Харилло-Эрреро обнаружила, что сверхпроводимость и плоская полоса действительно появились в скрученном трехслойном графене — трех листах графена, уложенных друг на друга, как бутерброд с сыром, средний слой сыра смещен на 1,6 градуса по отношению к расположенным между ними внешним слоям. . Но трехслойная структура также показала тонкие различия по сравнению с ее двухслойным аналогом.

«Это заставило нас задаться вопросом, какое место эти две структуры занимают в целом классе материалов, и принадлежат ли они к одному семейству?» — говорит Парк.

Нетрадиционная семья

В текущем исследовании команда стремилась увеличить количество графеновых слоев. Они изготовили две новые структуры, состоящие из четырех и пяти слоев графена соответственно. Каждая структура укладывается поочередно, подобно сэндвичу с сыром из скрученного трехслойного графена.

Команда хранила структуры в холодильнике при температуре ниже 1 Кельвина (около -273 градусов по Цельсию), пропускала электрический ток через каждую структуру и измеряла выходную мощность в различных условиях, подобно тестам для их двухслойных и трехслойных систем.

В целом они обнаружили, что как четырехслойный, так и пятислойный скрученный графен также демонстрируют устойчивую сверхпроводимость и плоскую полосу. Структуры также имели другие сходства со своими трехслойными аналогами, такие как их реакция на магнитное поле различной силы, угла и ориентации.

Эти эксперименты показали, что скрученные графеновые структуры можно рассматривать как новое семейство или класс обычных сверхпроводящих материалов. Эксперименты также показали, что в семействе может быть паршивая овца: исходная скрученная двухслойная структура, хотя и имеет общие ключевые свойства, также имеет тонкие отличия от своих братьев и сестер. Например, предыдущие эксперименты группы показали, что сверхпроводимость структуры нарушается при более низких магнитных полях и становится более неравномерной при вращении поля по сравнению с ее многослойными собратьями.

Команда провела моделирование каждого типа структуры, ища объяснение различий между членами семьи. Они пришли к выводу, что тот факт, что сверхпроводимость скрученного двухслойного графена исчезает при определенных магнитных условиях, объясняется просто тем, что все его физические слои существуют в «незеркальной» форме внутри структуры. Другими словами, в структуре нет двух слоев, которые были бы зеркально противоположны друг другу, тогда как многослойные братья и сестры графена демонстрируют своего рода зеркальную симметрию. Эти результаты показывают, что механизм, приводящий электроны в стабильное сверхпроводящее состояние, одинаков во всем семействе скрученных графенов.

«Это очень важно, — отмечает Парк. «Не зная этого, люди могут подумать, что двухслойный графен более традиционен по сравнению с многослойными структурами. Но мы показываем, что все это семейство может быть нетрадиционными, надежными сверхпроводниками».