"Бутерброд" из двух слоев графена, если скрутить его под определенным "магическим" углом, одновременно приобретает и изолирующие, и сверхпроводящие свойства, между которыми можно легко переключаться, случайно выяснили физики из MIT, опубликовавшие две статьи в журнале Nature.
"Теперь мы можем использовать графен в качестве платформы для изучения необычных форм сверхпроводимости. Подобные же структуры можно использовать для создания сверхпроводящих транзисторов, которые можно будет легко включать и выключать, превращая их из изолятора в сверхпроводник и наоборот. Это создает массу новых возможностей для создания новых квантовых устройств",
— рассказывает Пабло Харилло-Эрреро (Pablo Jarillo-Herrero) из Массачусетского технологического института (США).
Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой структурой химических связей, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот. За создание графена, обладающего уникальными физико-химическими свойствами, работающие в Великобритании выходцы из России Константин Новоселов и Андрей Гейм получили Нобелевскую премию 2010 года по физике.
Не все уникальные свойства графена оказались полезными — к примеру, неожиданным образом оказалось, что графен крайне тяжело превратить в полупроводник, что делает его малопригодным для изготовления электронных приборов, солнечных батарей, лазеров и источников света. Кроме того, графен нельзя растягивать из-за очень высокой хрупкости.
Многие эти проблемы, как рассказывает Харилло-Эрреро, ученые пытаются решить, используя не однослойные, а двухслойные или многослойные "бутерброды" из листов графена. Подобные структуры часто обладают достаточно неожиданными, но интересными свойствами, на одно из которых совершенно случайно натолкнулись физики из MIT.
Они обнаружили, что двойные листы из графена при определенных условиях могут одновременно иметь и сверхпроводящие, и изолирующие свойства, изучая электрические свойства подобных "бутербродов".
Для их изготовления они использовали ту же методику, что и Гейм и Новоселов – они отщепляли одиночные слои графена от листа графита, используя стеклянную пластинку, покрытую клеем, и затем пытались оторвать еще один слой "нобелевского углерода", используя ту же сторону стекла.
Как отмечает Харилло-Эрреро, его команду интересовало то, как меняются электрические свойства графена, если его листы накладываются друг на друга не идеальным образом, образуя своеобразный муаровый узор, или сложный набор из пустот и пересечений связей между атомами углерода.
Проводя подобные эксперименты, американские физики натолкнулись на потрясающий феномен – в том случае, если эти листы наклонены друг к другу на угол в 1,1 градуса, электроны в них начинают двигаться крайне необычным образом.
При таком положении листов графена, как объясняют ученые, их атомы начинают очень сильно влиять на то, как движутся носители заряда внутри этого "бутерброда". Это заставляет их или двигаться без потерь энергии, подобно парам электронов в высокотемпературных сверхпроводниках, или образовать непреодолимый барьер для других частиц, который физики называют "изолятором Мотта".
"Если листы будут скручены под неправильным углом, даже при самой небольшой погрешности, к примеру, если ошибка будет составлять всего 0,2 градуса, вся эта необычная физика исчезает – графен перестает быть и сверхпроводником, и изолятором", — отмечает Харилло-Эрреро.
Как впоследствии обнаружили ученые, графеновый "бутерброд" не нужно заново собирать для его превращения из сверхпроводника в изолятор и наоборот — для перехода из одного состояние в другое необходимо просто добавить "лишние" электроды в эту структуру или убрать их.
Физики пока не знают, почему это происходит, и надеются, что последующие опыты с графеном помогут им раскрыть эту загадку и понять, как сверхпроводимость графена и его изолирующие свойства связаны между собой.