Учёные из Массачусетского технологического института (MIT), исследуя так называемый «магический угол» в графене, открыли новый путь к сверхпроводимости. Это достижение может стать важным шагом в поисках сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, что позволит шире применять эту технологию.
Сверхпроводники позволяют передавать энергию без потерь, однако их ключевым недостатком является необходимость использования сверхнизких температур, создаваемых громоздкими и дорогими системами охлаждения. В настоящее время эта технология ограничена специализированными областями, такими как аппараты МРТ и ускорители частиц.
Как сообщается в недавней статье, опубликованной в журнале Science, исследователи, работая с нетрадиционными сверхпроводниками, обнаружили свидетельства нового типа сверхпроводимости при изучении «муаровского» трёхслойного графена с «магическим» углом скручивания (MATTG). Графен представляет собой двумерный материал из одного слоя атомов углерода. Экзотические свойства возникают при складывании трёх графеновых листов под определённым углом. Предыдущие работы первой группы исследователей под руководством Пабло Харрилло-Эрреро заложили основы новой области «твистроники».
В ходе экспериментов с разным количеством слоёв были обнаружены нетрадиционные признаки сверхпроводимости. В сверхпроводнике электроны объединяются в «пары Купера», которые движутся без трения. Однако в MATTG эти пары оказались особыми. Как пояснил соавтор работы Чжон Мин Пак, в обычных сверхпроводниках электроны в парах слабо связаны и находятся далеко друг от друга, а в «магическом» графене пары очень тесно связаны, почти как молекула.
Ключевым моментом исследования стало измерение сверхпроводящей щели — энергетического барьера, который отражает, как электроны связаны в пары. Форма и симметрия этой щели раскрывают природу сверхпроводимости. Учёные из MIT использовали экспериментальную платформу, сочетающую туннельную спектроскопию и измерения электрического транспорта, что позволило в реальном времени наблюдать сверхпроводящую щель в условиях меняющихся температуры и магнитного поля.
Сверхпроводящая щель в материале MATTG показала необычную V-образную форму, что нетипично для обычных сверхпроводников, имеющих плоский профиль. Механизм, вызывающий эту аномалию, пока неизвестен и требует дальнейшего изучения. По словам исследователей, в системе «магического» графена образование пар, вероятно, обусловлено сильными электронными взаимодействиями, а не колебаниями кристаллической решётки, что придаёт сверхпроводящему состоянию особую симметрию.
В дальнейшем команда намерена продолжать изучение MATTG и других двумерных материалов с помощью созданной измерительной платформы. Этот прямой метод позволяет наблюдать за тем, как электроны образуют пары и конкурируют с другими состояниями, открывая путь к проектированию новых сверхпроводников и квантовых материалов. По словам Харрилло-Эрреро, глубокое понимание одного нетрадиционного сверхпроводника может привести к пониманию остальных и направить проектирование сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, что является Святым Граалем всей этой области.