Трехслойный графен с “ волшебным углом ” может быть редким магнитостойким сверхпроводником

В исследовании, опубликованном в Природа, исследователи сообщают, что этот материал демонстрирует сверхпроводимость в удивительно высоких магнитных полях до 10 Тесла, что в три раза выше, чем то, что, по прогнозам, выдержит материал, если бы он был обычным сверхпроводником.

Физики Массачусетского технологического института наблюдали признаки редкого типа сверхпроводимости в материале, называемом скрученным трехслойным графеном с «магическим углом». Предоставлено: Пабло Харилло-Эрреро, Юань Цао, Пак Чон Мин и др.

Результаты убедительно свидетельствуют о том, что трехслойный графен с магическим углом, который был первоначально открыт той же группой, является очень редким типом сверхпроводника, известного как «спин-триплет», который невосприимчив к сильным магнитным полям. Такие экзотические сверхпроводники могут значительно улучшить такие технологии, как магнитно-резонансная томография, при которой сверхпроводящие провода используются в магнитном поле для резонанса с биологической тканью и получения изображения. Аппараты МРТ в настоящее время ограничены магнитными полями от 1 до 3 Тесла. Если бы они могли быть построены из спин-триплетных сверхпроводников, МРТ могла бы работать в более сильных магнитных полях, чтобы получать более четкие и глубокие изображения человеческого тела.

Новое свидетельство спин-триплетной сверхпроводимости в трехслойном графене также может помочь ученым разработать более прочные сверхпроводники для практических квантовых вычислений.

«Ценность этого эксперимента заключается в том, что он учит нас фундаментальной сверхпроводимости, о том, как материалы могут вести себя, так что, извлеченные уроки, мы можем попытаться разработать принципы для других материалов, которые было бы легче производить, которые, возможно, могли бы дать вам лучшее сверхпроводимость », – говорит Пабло Харилло-Эрреро, профессор физики Массачусетского технологического института им. Сесила и Иды Грин.

Его соавторами являются постдок Юань Цао и аспирант Чон Мин Пак из Массачусетского технологического института, а также Кенджи Ватанабе и Такаши 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 в экспрессе.

В подавляющем большинстве сверхпроводников эти пассажирские пары имеют противоположные спины: один электрон вращается вверх, а другой – вниз – конфигурация, известная как «спин-синглет». Эти пары успешно проходят через сверхпроводник, за исключением сильных магнитных полей, которые могут сдвигать энергию каждого электрона в противоположных направлениях, разрывая пару. Таким образом и через механизмы сильные магнитные поля могут нарушить сверхпроводимость в обычных спин-синглетных сверхпроводниках.

«Это основная причина того, почему в достаточно большом магнитном поле сверхпроводимость исчезает», – говорит Парк.

Но существует несколько экзотических сверхпроводников, которые непроницаемы для магнитных полей, вплоть до очень большой силы. Эти материалы обладают сверхпроводимостью через пары электронов с одинаковым спином – свойство, известное как «спин-триплет». При воздействии сильных магнитных полей энергия обоих электронов в куперовской паре смещается в одном направлении, так что они не растягиваются, а продолжают оставаться в сверхпроводящем состоянии без возмущений, независимо от напряженности магнитного поля.

Группе Харилло-Эрреро было любопытно, может ли трехслойный графен под магическим углом иметь признаки этой более необычной спин-триплетной сверхпроводимости. Команда провела новаторскую работу по изучению муаровых структур графена – слоев углеродных решеток толщиной до атома, которые, будучи сложены под определенными углами, могут вызывать удивительное электронное поведение.

Первоначально исследователи сообщили о таких любопытных свойствах двух наклонных листов графена, которые они назвали двухслойным графеном под магическим углом. Вскоре они продолжили испытания трехслойного графена, сэндвич-конфигурации из трех графеновых листов, который оказался даже более прочным, чем его двухслойный аналог, сохраняя сверхпроводимость при более высоких температурах. Когда исследователи применили небольшое магнитное поле, они заметили, что трехслойный графен способен к сверхпроводимости при напряженности поля, которое разрушит сверхпроводимость в двухслойном графене.

«Мы подумали, что это что-то очень странное, – говорит Харилло-Эрреро.

Супер возвращение

В своем новом исследовании физики проверили сверхпроводимость трехслойного графена во все более высоких магнитных полях. Они изготовили материал, отделив тонкие до атома слои углерода от блока графита, сложив вместе три слоя и повернув средний на 1,56 градуса по отношению к внешним слоям. Они прикрепили электрод к любому концу материала, чтобы пропустить ток и измерить потерю энергии в процессе. Затем они включили в лаборатории большой магнит, направив поле параллельно материалу.

Увеличивая магнитное поле вокруг трехслойного графена, они наблюдали, что сверхпроводимость сохранялась сильной до определенного момента, прежде чем исчезнуть, но затем, как ни странно, снова появилась при более высоких значениях поля – возвращение, которое очень необычно и не известно, что происходит в обычных спин-синглетных сверхпроводниках.

«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 спин-синглет ».

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 сверхпроводник должен выдержать, если бы он был обычным спин-синглетом, согласно пределу Паули, теории, которая предсказывает максимальное магнитное поле, при котором материал может сохранять сверхпроводимость.

Возобновление сверхпроводимости трехслойного графена в сочетании с его стойкостью в более высоких магнитных полях, чем предполагалось, исключает возможность того, что этот материал является обычным сверхпроводником. Напротив, это, вероятно, очень редкий тип, возможно, спин-триплет, содержащий куперовские пары, которые движутся через материал, невосприимчивые к сильным магнитным полям. Команда планирует развернуть материал, чтобы подтвердить его точное состояние вращения, что может помочь в разработке более мощных аппаратов МРТ, а также более надежных квантовых компьютеров.

«Обычные квантовые вычисления очень хрупки», – говорит Харилло-Эрреро. «Вы смотрите на это, и, пуф, он исчезает. Около 20 лет назад теоретики предложили тип топологической сверхпроводимости, который, если он реализован в любом материале, может [enable] квантовый компьютер, в котором состояния, отвечающие за вычисления, очень устойчивы. Это дало бы бесконечно больше возможностей для вычислений. Ключевым ингредиентом 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 объединение трехслойного графена с другими материалами для создания такой сверхпроводимости. Это могло быть большим прорывом. Но еще очень рано ».