Фізики Массачусетського технологічного інституту спостерігали ознаки рідкісного типу надпровідності в матеріалі, званому тришаровим графеном, закрученим під магічним кутом. Дослідники повідомляють, що цей матеріал демонструє надпровідність у напрочуд високих магнітних полях до 10 Тесла, що втричі вище, ніж те, що, за прогнозами, витримає матеріал, якби він був звичайним надпровідником.
Результати переконливо свідчать про те, що тришаровий графен з магічним кутом, який був спочатку відкритий тією ж групою, є дуже рідкісним типом надпровідника, відомого як «спін-триплет», який несприйнятливий до сильних магнітних полів.
Подібні екзотичні надпровідники можуть значно поліпшити такі технології, як магнітно-резонансна томографія, при якій надпровідні дроти використовуються в магнітному полі для резонансу з біологічною тканиною та отримання зображення. Апарати МРТ в даний час обмежені магнітними полями від 1 до 3 Тесла. Якби вони могли бути побудовані зі спин-триплетних надпровідників, МРТ могла б працювати в більш сильних магнітних полях, щоб отримувати більш чіткі і глибокі зображення людського тіла.
Нове свідчення спін-триплетної надпровідності в тришаровому графені також може допомогти вченим розробити більш міцні надпровідники для практичних квантових обчислень.
Дивне зрушення
Надпровідні матеріали відрізняються своєю надефективною здатністю проводити електрику без втрати енергії. Під впливом електричного струму електрони в надпровіднику об'єднуються в «куперівські пари», які потім проходять через матеріал без опору.
У переважній більшості надпровідників ці пари мають протилежні спини: один електрон обертається вгору, а інший - вниз - конфігурація, відома як «спін-синглет».
Ці пари успішно проходять через надпровідник, за винятком сильних магнітних полів, які можуть зрушувати енергію кожного електрона в протилежних напрямках, розриваючи пару. Таким чином сильні магнітні поля можуть порушити надпровідність у звичайних спін-синглетних надпровідниках.
«Це основна причина того, чому в досить сильному магнітному полі надпровідність зникає», - кажуть вчені.
Але існує кілька екзотичних надпровідників, непроникних для магнітних полів, аж до дуже великої сили. Ці матеріали мають надпровідність через пари електронів з однаковим спином - властивість, відома як «спін-триплет». При впливі сильних магнітних полів енергія обох електронів в куперівській парі зсувається в одному напрямку, так що вони не розтягуються, а продовжують залишатися в надпровідному стані без обурень, незалежно від напруженості магнітного поля.
Вченим було цікаво, чи може тришаровий графен з магічним кутом мати ознаки цієї незвичайної спін-триплетної надпровідності. Група провела новаторську роботу з вивчення муарових структур графена - шарів вуглецевих решіток товщиною до атома, які, будучи складені під певними кутами, можуть викликати дивовижну електронну поведінку.
Спочатку дослідники повідомили про такі цікаві властивості двох похилих аркушів графена, які вони назвали двошаровим графеном під магічним кутом. Незабаром вони продовжили випробування тришарового графену, сендвіч-конфігурації з трьох графенових листів, яка виявилася навіть більш міцною, ніж її двошаровий аналог, зберігаючи надпровідність при більш високих температурах.
Коли дослідники застосували помірне магнітне поле, вони помітили, що тришаровий графен здатний до надпровідності при напруженості поля, яке зруйнує надпровідність у двошаровому графені.
Супер повернення
У своєму новому дослідженні фізики перевірили надпровідність тришарового графена у все більш високих магнітних полях. Вони виготовили матеріал шляхом відокремлення тонких шарів вуглецю від блоку графіту, складання трьох шарів разом і повороту середнього на 1,56 градуса по відношенню до зовнішніх шарів. Вони прикріпили електрод до кінця матеріалу, щоб пропустити струм і виміряти втрату енергії в процесі. Потім вони включили в лабораторії великий магніт, направивши поле паралельно матеріалу.
Збільшуючи магнітне поле навколо тришарового графену, вони спостерігали, що надпровідність зберігалася сильною до певного моменту, перш ніж зникнути, але потім, як не дивно, знову з'явилася при більш високих значеннях поля - повернення, яке дуже незвично і не відомо, як це відбувається в звичайних спін-синглетних надпровідниках.
«У спін-синглетних надпровідниках, якщо ви вб'єте надпровідність, вона ніколи не повернеться - вона вийшла назавжди», - кажуть фізики. "Тут вона знову з'явилася. Так що це безумовно говорить про те, що цей матеріал не спін-синглет ".
Вони також помітили, що після «повторного входу» надпровідність зберігалася до 10 Тесла, максимальної напруженості поля, яку міг створити магніт лабораторії. Це приблизно втричі вище, ніж те, що надпровідник повинен витримати, якби він був звичайним спін-синглетом, відповідно до межі Паулі, теорії, яка пророкує максимальне магнітне поле, при якому матеріал може зберігати надпровідність.
Відновлення надпровідності тришарового графену в поєднанні з його стійкістю в більш високих магнітних полях, ніж передбачалося, виключає можливість того, що цей матеріал є звичайним надпровідником.
Замість цього це, ймовірно, дуже рідкісний тип, можливо, спін-триплет, що містить куперівські пари, які рухаються через матеріал, несприйнятливі до сильних магнітних полів. Команда вчених планує розгорнути матеріал, щоб підтвердити його точний стан обертання, що може допомогти в розробці більш потужних апаратів МРТ, а також більш надійних квантових комп'ютерів.
«Звичайні квантові обчислення дуже крихкі», - кажуть дослідники. "Ви дивитеся на нього, і, раптом він зникає. Близько 20 років тому теоретики запропонували тип топологічної надпровідності, який, якби він був реалізований в будь-якому матеріалі, міг би допомогти створити квантовий комп'ютер, в якому статки, що відповідають за обчислення, дуже стійкі.
-Це дало б нескінченно більше можливостей для обчислень. Ключовим інгредієнтом для реалізації цього будуть спін-триплетні надпровідники певного типу. Ми поняття не маємо, чи відноситься наш тип до цього типу. Але навіть якщо це не так, це може спростити об'єднання тришарового графена з іншими матеріалами для створення такої надпровідності. Це могло б бути великим проривом ".
Дослідження було опубліковано в журналі Nature.