Сверхпроводники функционируют как высокоскоростные поезда для электричества. Попав в такой материал, электрический ток движется без сопротивления и потерь энергии. Эта выдающаяся эффективность уже делает сверхпроводники незаменимыми в таких технологиях, как аппараты МРТ и ускорители частиц.
Однако эти «обычные» сверхпроводники работают только при экстремально низких температурах. Для поддержания их сверхпроводящего состояния требуются специализированные системы охлаждения. Если бы удалось создать материалы, способные к сверхпроводимости при более высоких, практичных температурах, это могло бы произвести революцию в современных технологиях – от создания энергосетей без потерь до разработки более функциональных квантовых компьютеров. В погоне за этой целью исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и других учреждений изучают «необычные» сверхпроводники – материалы, которые не подчиняются правилам традиционных и могут привести к следующему крупному прорыву.
Значительный шаг вперед сделали физики MIT, обнаружив явные доказательства необычной сверхпроводимости в «магическом» скрученном трехслойном графене (MATTG). Этот уникальный материал создается путем наложения трех одноатомных слоев графена под очень специфическим углом. Этот минимальный поворот резко изменяет свойства материала, порождая странные и многообещающие квантовые эффекты. Хотя более ранние исследования намекали на возможность необычной сверхпроводимости в MATTG, новые результаты, опубликованные в журнале Science, представляют собой самое прямое подтверждение на сегодняшний день.
Команда MIT успешно измерила сверхпроводящую щель MATTG, которая указывает на то, насколько сильным является сверхпроводящее состояние материала при разных температурах. Ученые обнаружили, что щель в MATTG выглядит совершенно иначе, чем у обычных сверхпроводников. Это различие предполагает, что способ, которым MATTG становится сверхпроводящим, основан на отчетливом, нетрадиционном механизме.
«Существует множество различных механизмов, которые могут приводить к сверхпроводимости в материалах», – объясняет соавтор исследования Шувен Сунь, аспирант физического факультета MIT. – «Сверхпроводящая щель дает нам ключ к пониманию того, какой механизм может привести к созданию, например, комнатных сверхпроводников, что в конечном итоге принесет пользу человеческому обществу». Открытие было сделано с помощью новой экспериментальной системы, позволяющей напрямую наблюдать формирование сверхпроводящей щели в двумерных материалах. Команда планирует использовать эту технику для более детального изучения MATTG и других 2D-материалов, надеясь выявить новых кандидатов для передовых технологий.
«Понимание одного нетрадиционного сверхпроводника очень хорошо может спровоцировать наше понимание остальных», – говорит Пабло Харильо-Эрреро, профессор физики имени Сесила и Иды Грин в MIT и старший автор исследования. – «Это понимание может направлять разработку сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, что является своего рода «святым Граалем» всей области».
Графен состоит из одного слоя атомов углерода, расположенных в гексагональном порядке, напоминающем куриную сетку. Ученые могут отделить лист графена от графита (того же материала, что и в грифеле карандаша), чтобы изучить его свойства. В 2010-х годах исследователи предсказали, что наложение двух слоев графена под очень точным углом может создавать новые электронные свойства. В 2018 году группа Харильо-Эрреро стала первой, кто экспериментально произвел так называемый графен «магического угла» и выявил его необычайные свойства. Эта работа положила начало новой области исследований, известной как «твистроника», которая изучает удивительные эффекты, возникающие при наложении и скручивании ультратонких материалов под точными углами. С тех пор команда и другие исследователи изучали различные структуры графена с несколькими слоями, выявляя дальнейшие признаки необычной сверхпроводимости.
Сверхпроводимость возникает, когда электроны образуют пары, а не рассеиваются, проходя через материал. Эти парные электроны, известные как «куперовские пары», могут перемещаться без сопротивления, создавая идеальный поток тока. «В обычных сверхпроводниках электроны в этих парах очень далеки друг от друга и слабо связаны», – отмечает соавтор исследования Чжон Мин Пак, доктор философии 2024 года. – «Но в графене «магического угла» мы уже видели признаки того, что эти пары очень тесно связаны, почти как молекула. Были намеки на то, что этот материал чем-то сильно отличается».
Чтобы доказать, что MATTG действительно демонстрирует необычную сверхпроводимость, исследователям MIT требовалось непосредственно измерить его сверхпроводящую щель. Как объясняет Пак, «когда материал становится сверхпроводящим, электроны движутся вместе парами, а не по отдельности, и существует энергетическая «щель», которая отражает то, как они связаны. Форма и симметрия этой щели говорят нам о фундаментальной природе сверхпроводимости». Для этого ученые использовали квантовую технику, известную как туннельная спектроскопия. На этом уровне электроны ведут себя как частицы и как волны, что позволяет им «туннелировать» через барьеры, которые обычно их останавливают. Изучая, насколько легко электроны могут «туннелировать» через материал, исследователи могут узнать, насколько сильно они связаны внутри него. Однако результаты туннелирования сами по себе не всегда доказывают сверхпроводимость материала, что делает прямые измерения как крайне важными, так и сложными.
Команда Пак разработала новую платформу, которая сочетает туннельную спектроскопию с измерениями электрического транспорта. Последние включают отслеживание движения тока через материал при контроле его сопротивления (нулевое сопротивление означает сверхпроводимость). Используя этот метод на MATTG, исследователи смогли четко определить сверхпроводящую туннельную щель – она появлялась только тогда, когда материал достигал нулевого сопротивления, что является определяющим признаком сверхпроводимости. При изменении температуры и магнитного поля щель демонстрировала резкую V-образную кривую, сильно отличающуюся от гладкого, плоского рисунка, типичного для обычных сверхпроводников.
Эта необычная V-образная форма указывает на новый механизм, лежащий в основе сверхпроводимости MATTG. Хотя точный процесс до сих пор неизвестен, теперь ясно, что этот материал ведет себя в отличие от любого обычного сверхпроводника, открытого ранее. В большинстве сверхпроводников электроны спариваются из-за колебаний в окружающей атомной решетке, которые мягко подталкивают их друг к другу. Пак полагает, что MATTG действует иначе.
«В этой системе графена «магического угла» существуют теории, объясняющие, что спаривание, вероятно, возникает из-за сильных электронных взаимодействий, а не из-за колебаний решетки», – говорит она. – «Это означает, что сами электроны помогают друг другу спариваться, образуя сверхпроводящее состояние с особой симметрией». Команда MIT планирует применить свою новую экспериментальную установку для изучения других скрученных и слоистых материалов. «Это позволяет нам как идентифицировать, так и изучать основные электронные структуры сверхпроводимости и других квантовых фаз по мере их возникновения в одном и том же образце», – объясняет Пак. – «Этот прямой взгляд может выявить, как электроны спариваются и конкурируют с другими состояниями, прокладывая путь к разработке и контролю новых сверхпроводников и квантовых материалов, которые однажды смогут обеспечить работу более эффективных технологий или квантовых компьютеров».
Это исследование получило поддержку от различных организаций, включая Исследовательский офис армии США, Офис научных исследований ВВС США, Фонд исследований полупроводников MIT/MTL Samsung, Программу моста Саголь WIS-MIT, Национальный научный фонд, Фонд Гордона и Бетти Мур, а также Фонд Рамона Аресеса.
