Долго считалось, что один материал не может проявлять одновременно сверхпроводящие и магнитные свойства. Недавно физики нашли такой сверхпроводник — ромбоэдрический графен.
Изображение пар сверхпроводящих электронов в ромбоэдрическом графене. Направление вращения частиц по или против часовой стрелки окрашено розовым и синим соответственно / © Sampson Wilcox, Research Laboratory of Electronics
Графит, пишущая часть карандашей, состоит из множества слоев графена — листов углерода толщиной в один атом. В графите эти листы лежат друг на друге, связь между ними слабая, графит легко расслоить, поэтому карандаш оставляет следы на бумаге. Обычно слои графена лежат друг на друге со сдвигом и повторяются через один. Но иногда встречаются небольшие участки, где графен уложен в другой конфигурации: со слоями, смещенными как ступени лестницы. В такой комбинации атомы углерода располагаются в пространстве в форме ромбов, а структуру материала называют ромбоэдрической.
Физики Массачусетского технологического института (MIT, США) обнаружили, что когда четыре или пять слоев графена сложены в этой «ромбоэдрической» конфигурации, полученная структура проявляет особые свойства. Этот «хиральный сверхпроводник» проводит электричество без сопротивления и обладает внутренней намагниченностью. Статья о работе опубликована в журнале Nature.
Эта команда физиков давно изучает свойства пятислойного ромбоэдрического графена. Совсем недавно они обнаружили, что такая конфигурация позволяет электронам разделяться на фракции, если положить под нее нитрид бора под строго определенным углом.
Ученые сосредоточились на исследовании того, как разделенные электроны ведут себя в разных условиях. Физики обнаружили, что при охлаждении до 300 милликельвин (около минус 273 градусов Цельсия) материал становится сверхпроводником — электрический ток может протекать через него без сопротивления. А при изменении внешнего магнитного поля материал переключается между двумя разными сверхпроводящими состояниями. Это показывает, что сверхпроводник обладает некоторой внутренней, собственной намагниченностью. Другие сверхпроводники на такое не способны.
Когда ученые изменили полярность магнитного поля, материал сохранял свое сверхпроводящее состояние, за исключением двух непродолжительных отрезков времени, по одному для каждой полярности. Сопротивление кратковременно возрастало, затем возвращалось к нулю, и материал снова становился сверхпроводящим.
«Если бы это был обычный сверхпроводник, он бы просто оставался при нулевом сопротивлении, пока магнитное поле не достигло бы критической точки, где сверхпроводимость бы исчезла. Вместо этого этот материал, похоже, переключается между двумя сверхпроводящими состояниями как магнит, который сначала направлен вверх, а затем может перевернуться вниз при приложении магнитного поля. Это сверхпроводник, ведущий себя как магнит, и это полная неожиданность», — говорит Зах Хаджри (Zach Hadjri), один из авторов статьи.
Команда подтвердила найденный эффект на шести опытных образцах. Ученые предполагают, что уникальная конфигурация ромбоэдрического графена — ключевое условие для проявления найденных свойств. Материал имеет очень простую структуру атомов углерода. При охлаждении до сверхнизких температур тепловые колебания сводятся к минимуму, что позволяет любым электронам, протекающим через материал, замедляться, чувствовать друг друга и взаимодействовать.
Такие квантовые взаимодействия могут привести к образованию электронных пар и сверхпроводимости. Эти взаимодействия также могут способствовать согласованному поведению электронов — они могут занимать одно из двух противоположных состояний импульса, или энергетических «долин». Когда все электроны находятся в одной долине, они «вращаются» в одном направлении.
В обычных сверхпроводниках электроны могут занимать любую долину, и любая пара электронов обычно состоит из электронов противоположных долин, которые компенсируют друг друга. В результате пара в целом имеет нулевой импульс и не вращается.
Однако в обнаруженной учеными структуре все электроны взаимодействуют так, что разделяют одну и ту же «долину» или состояние импульса. Когда электроны затем объединяются в пары, сверхпроводящая пара в целом имеет ненулевой импульс и вращение, что — вместе со многими другими парами — может создавать внутреннюю сверхпроводящую намагниченность.
«Можно представить, что два электрона в паре вращаются по часовой стрелке или против часовой стрелки, что соответствует магниту, направленному вверх или вниз. Мы считаем, что это первое наблюдение сверхпроводника, ведущего себя как магнит, благодаря орбитальному движению электронов. Это хиральный сверхпроводник, уникальный случай. Он также является кандидатом в топологические сверхпроводники, что может обеспечить устойчивые квантовые вычисления», — объяснил Тонгхан Хан (Tonghang Han), другой автор статьи.
