Физики Массачусетского технологического института обнаружили признаки редкого типа сверхпроводимости в материале, называемом трехслойным графеном, скрученным под магическим углом. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, исследователи сообщают, что материал проявляет сверхпроводимость при удивительно высоких магнитных полях до 10 Тл, что в три раза выше, чем, по прогнозам, выдержит материал, если бы он был обычным сверхпроводником.
Результаты убедительно подразумевают, что трехслойный графен с магическим углом, который первоначально был обнаружен той же группой, является очень редким типом сверхпроводника, известного как «спин-триплет», который непроницаем для сильных магнитных полей. Такие экзотические сверхпроводники могут значительно улучшить такие технологии, как магнитно-резонансная томография, в которой используются сверхпроводящие провода под магнитным полем для резонирования с биологическими тканями и их изображения. Аппараты МРТ в настоящее время ограничены магнитными полями от 1 до 3 тесла. Если бы их можно было построить из спин-триплетных сверхпроводников, МРТ могла бы работать в более сильных магнитных полях и давать более четкие и глубокие изображения человеческого тела.
Новые данные о спин-триплетной сверхпроводимости в трехслойном графене также могут помочь ученым разработать более прочные сверхпроводники для практических квантовых вычислений.
Ценность этого эксперимента заключается в том, что он учит нас фундаментальной сверхпроводимости, тому, как могут вести себя материалы, так что с учетом полученных уроков мы можем попытаться разработать принципы для других материалов, которые было бы легче производить, которые может дать вам лучшую сверхпроводимость», - говорит Пабло Харилло-Эрреро, профессор физики Массачусетского технологического института имени Сесила и Иды Грин.
Его соавторами по статье являются постдоктор Юань Цао и аспирант Чон Мин Пак из Массачусетского технологического института, а также Кенджи Ватанабэ и Такаси Танигучи из Национального института материаловедения в Японии.
Странный сдвиг
Сверхпроводящие материалы отличаются своей сверхэффективной способностью проводить электричество без потери энергии. Под воздействием электрического тока электроны в сверхпроводнике объединяются в «куперовские пары», которые затем проходят через материал без сопротивления, как пассажиры экспресса.
В подавляющем большинстве сверхпроводников эти пассажирские пары имеют противоположные спины, при этом один электрон вращается вверх, а другой вниз - конфигурация, известная как «спин-синглет». Эти пары счастливо мчатся сквозь сверхпроводник, за исключением сильных магнитных полей, которые могут сдвигать энергию каждого электрона в противоположных направлениях, разрывая пару. Таким образом и с помощью механизмов сильные магнитные поля могут нарушить сверхпроводимость в обычных спин-синглетных сверхпроводниках.
«Это главная причина, по которой в достаточно большом магнитном поле сверхпроводимость исчезает», - говорит Парк.
Но существует несколько экзотических сверхпроводников, невосприимчивых к магнитным полям вплоть до очень больших величин. Эти материалы обладают сверхпроводимостью за счет пар электронов с одинаковым спином - свойство, известное как «спин-триплет». При воздействии сильных магнитных полей энергия обоих электронов в куперовской паре смещается в одном и том же направлении таким образом, что они не разрываются, а продолжают сохранять сверхпроводимость без возмущений, независимо от силы магнитного поля..
Группе Харилло-Эрреро было любопытно, может ли трехслойный графен с магическим углом таить в себе признаки этой более необычной спин-триплетной сверхпроводимости. Команда провела новаторскую работу по изучению графеновых муаровых структур - слоев углеродных решеток толщиной в атом, которые при укладке под определенными углами могут вызывать неожиданное электронное поведение.
Исследователи первоначально сообщили о таких любопытных свойствах двух угловых листов графена, которые они назвали двухслойным графеном под магическим углом. Вскоре они провели испытания трехслойного графена, сэндвич-конфигурации из трех листов графена, который оказался даже прочнее своего двухслойного аналога, сохраняя сверхпроводимость при более высоких температурах. Когда исследователи применили слабое магнитное поле, они заметили, что трехслойный графен способен к сверхпроводимости при такой силе поля, которая разрушила бы сверхпроводимость двухслойного графена.
"Мы подумали, что это что-то очень странное", - говорит Харилло-Эрреро.
Супер возвращение
В своем новом исследовании физики проверили сверхпроводимость трехслойного графена в условиях все более сильных магнитных полей. Они изготовили материал, отделив слои углерода толщиной в атом от блока графита, сложив три слоя вместе и повернув средний на 1.56 градусов по отношению к внешним слоям. Они прикрепили электрод к любому концу материала, чтобы пропустить через него ток и измерить любую потерю энергии в процессе. Затем в лаборатории они включили большой магнит, поле которого они направили параллельно материалу.
Поскольку они увеличили магнитное поле вокруг трехслойного графена, они заметили, что сверхпроводимость сохранялась до некоторого момента, прежде чем исчезнуть, но затем, как ни странно, снова появлялась при более высоких напряженностях поля - возвращение, которое очень необычно и неизвестно, происходит в обычных условиях. спин-синглетные сверхпроводники.
«В спин-синглетных сверхпроводниках, если вы убьете сверхпроводимость, она никогда не вернется - она ушла навсегда», - говорит Цао. «Здесь он снова появился. Так что это определенно говорит о том, что этот материал не является спин-синглетным».
Они также заметили, что после «повторного входа» сверхпроводимость сохранялась до 10 тесла, максимальной напряженности поля, которую мог создать лабораторный магнит. Это примерно в три раза выше, чем то, что должен выдержать сверхпроводник, если бы он был обычным спин-синглетом, согласно пределу Паули, теории, предсказывающей максимальное магнитное поле, при котором материал может сохранять сверхпроводимость.
Возвращение сверхпроводимости трехслойного графена в сочетании с его стойкостью при более высоких магнитных полях, чем предполагалось, исключает возможность того, что этот материал является заурядным сверхпроводником. Скорее всего, это очень редкий тип, возможно, спин-триплет, содержащий куперовские пары, которые мчатся сквозь материал, невосприимчивый к сильным магнитным полям. Команда планирует углубиться в материал, чтобы подтвердить его точное состояние вращения, что может помочь в разработке более мощных машин МРТ, а также более надежных квантовых компьютеров..
«Обычные квантовые вычисления очень хрупкие, - говорит Харилло-Эрреро. «Вы смотрите на это, и, пуф, оно исчезает. Около 20 лет назад теоретики предложили тип топологической сверхпроводимости, который, если он будет реализован в любом материале, может [обеспечить] квантовый компьютер, в котором состояния, ответственные за вычисления, очень устойчивы. Это дало бы бесконечно больше возможностей для вычислений. Ключевым компонентом для реализации этого будут спин-триплетные сверхпроводники определенного типа. Мы понятия не имеем, относится ли наш тип к этому типу. Но даже если это не так, это может упростить соединение трехслойного графена с другими материалами для создания такой сверхпроводимости. Это может стать большим прорывом. Но еще очень рано."