Графен оказался способен одновременно поддерживать несколько состояний сверхпроводимости

Группа исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) обнаружила, что особая разновидность графена способна одновременно существовать сразу в нескольких состояниях сверхпроводимости. Более того, некоторые из этих состояний не только сохраняются под воздействием сильного магнитного поля, которое обычно разрушает сверхпроводимость, но и становятся ещё более устойчивыми. Полученные результаты открывают новое семейство необычных сверхпроводящих состояний в одном из самых простых известных материалов — углероде.

Обычный графит, из которого изготавливают грифели карандашей, продолжает удивлять учёных своими свойствами на микроскопическом уровне. Исследователи изучали содержащуюся в природном графите структуру, состоящую из нескольких атомарно тонких слоёв графена. Графен представляет собой одноатомный слой углерода, атомы которого образуют правильную двумерную кристаллическую решётку. В новой работе внимание учёных было сосредоточено на ромбоэдрическом графене — естественной структуре, состоящей из четырёх или пяти слоёв графена, расположенных друг над другом с небольшим смещением, напоминающим ступени лестницы.

Сверхпроводимость представляет собой особое состояние вещества, при котором электроны объединяются в пары и могут перемещаться через материал без какого-либо электрического сопротивления. Несмотря на существование тысяч известных сверхпроводников, крайне редко один и тот же материал способен поддерживать сразу несколько различных форм сверхпроводимости.

По словам руководителя исследования Лонга Цзю, многие воспринимают углерод как простой и ничем не примечательный материал. Однако эксперименты показали, что при изменении внешних параметров, например электрического напряжения, его свойства могут кардинально меняться. Именно возможность точно управлять условиями эксперимента позволяет одному материалу демонстрировать столь разнообразные сверхпроводящие характеристики.

При этом физический механизм возникновения нескольких сверхпроводящих состояний пока остаётся неизвестным. Особенно удивительным для исследователей стало то, что магнитное поле, которое обычно разрушает сверхпроводимость, в данном случае не только не подавляет её, но иногда даже усиливает.

Исследовательская группа уже несколько лет занимается изучением необычных свойств графена. В отличие от многих других работ, где учёные искусственно складывают и поворачивают отдельные слои графена под определёнными углами для получения так называемого «магического угла», специалисты MIT сосредоточились на естественных структурах, существующих в природном графите.

Для получения необходимых образцов исследователи отделяли тончайшие слои графита традиционным методом механического расщепления, часто используя обычную клейкую ленту. После этого среди полученных фрагментов они искали характерную лестничную структуру ромбоэдрического графена, пригодную для дальнейших исследований.

В предыдущих экспериментах учёные постепенно увеличивали концентрацию электронов в образцах, наблюдая появление сверхпроводимости при определённых условиях. В новой работе они решили проверить противоположный сценарий и начали постепенно удалять электроны из материала, одновременно измеряя его электрическое сопротивление.

Эксперименты проводились при сверхнизких температурах совместно с группой Университета Базеля в Швейцарии, предоставившей оборудование, позволяющее создавать очень сильные магнитные поля. Во время исследований магнитное поле прикладывали как параллельно плоскости графена, так и перпендикулярно ей.

Результаты оказались неожиданными. При определённой концентрации электронов учёные обнаружили сразу четыре различных состояния сверхпроводимости. Три из них сохранялись даже при воздействии магнитного поля силой около 9 тесла, что примерно в 180 тысяч раз превышает напряжённость магнитного поля Земли. Обычно столь сильное магнитное поле разрушает пары электронов, обеспечивающих сверхпроводимость, однако в данном случае этого не происходило.

Ещё более необычный эффект был обнаружен при изменении направления магнитного поля. Когда его ориентировали перпендикулярно плоскости графена, при определённой электронной плотности сверхпроводимость не только сохранялась, но и усиливалась. Материал продолжал оставаться сверхпроводником при более высокой температуре, чем та, которая считалась его критической температурой в отсутствие магнитного поля.

Любой сверхпроводящий материал имеет критическую температуру, выше которой сверхпроводимость исчезает. Однако в ромбоэдрическом графене исследователи зафиксировали, что под действием магнитного поля критическая температура увеличивается. Если без магнитного поля переход происходил примерно при 55 милликельвинах, то в присутствии магнитного поля температура повышалась приблизительно до 90 милликельвинов. Одновременно материал мог пропускать на 50–60 процентов больший электрический ток до разрушения сверхпроводящего состояния.

Авторы предполагают, что причиной такого поведения может быть необычный способ образования электронных пар. В классических сверхпроводниках пары Купера формируются электронами с противоположными направлениями спина, поэтому магнитное поле легко разрушает их. В ромбоэдрическом графене, по одной из гипотез, электроны при некоторых концентрациях могут объединяться в пары с одинаково ориентированными спинами. В таком случае магнитное поле не разрушает пары, а сохраняет их согласованную ориентацию, благодаря чему сверхпроводимость продолжает существовать и даже усиливается.

Исследователи подчёркивают, что эта гипотеза требует дальнейшей экспериментальной и теоретической проверки. Тем не менее уже сейчас работа демонстрирует, насколько необычные квантовые явления могут возникать даже в таком простом химическом элементе, как углерод, если правильно управлять его структурой и внешними условиями.

По словам первого автора исследования Джунсока Со, учёные получили возможность контролировать свойства самого простого химического элемента — углерода — и изменять структуру материала таким образом, чтобы получать физические состояния, которых в природе в обычных условиях не существует, но которые могут возникать в том же самом материале при соответствующем управлении.