Ученые обнаружили новый тип проводника, сочетающий свойство сверхпроводимости и магнитные характеристики

Новости МирТесен

Ранее существовало убеждение, что невозможно найти вещество, которое бы одновременно демонстрировало характеристики сверхпроводимости и обладало магнитными свойствами. Однако недавние исследования физиков выявили такой материал – ромбоэдрический графен.

Графит, используемый в качестве пишущего стержня карандашей, представляет собой совокупность множества слоев графена – листов углерода, толщина которых составляет один атом. В структуре графита эти слои расположены один над другим, причем связь между ними слабая, что позволяет легко расслаивать материал, и поэтому карандаш оставляет заметные следы на бумаге. Как правило, слои графена располагаются один над другим со смещением и повторяются через один атом. Однако иногда можно встретить небольшие участки, где графен имеет иную структуру: слои смещены, напоминая ступени лестницы. В такой конфигурации атомы углерода располагаются таким образом формируют в пространстве ромбовидные образования, и эта структура получает название «ромбоэдрическая».

Физики Массачусетского технологического института (MIT (Япония, США) показали, что когда объединяются четыре или пять слоев графена подобным образом, возникает уникальная конфигурация. Этот новый «хиральный сверхпроводник» способен проводить электрический ток без потерь и при этом имеет собственное магнитное поле. Результаты этого исследования были опубликованы в научной 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.

Исследователи изучали поведение этих раздробленных носителей заряда в различных ситуациях. Эксперименты показали, что при охлаждении до температуры 300 милликельвин (что соответствует приблизительно минус 273 градусам Цельсия) материал проявляет свойства сверхпроводника – электрический ток начинает течь без потерь энергии на сопротивление. Изменение внешнего магнитного поля приводит к переключению материала между двумя различными состояниями сверхпроводимости, указывая на наличие у него собственной магнитной намагниченности, что не характерно для других известных сверхпроводников.

Когда исследователи переключили ориентацию магнитного поля, 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 сохранил бы нулевое сопротивление до тех пор, пока магнитное поле не достигло бы критического значения, при котором сверхпроводимость прекратилась бы. Однако этот материал, по всей видимости, переходит между двумя сверхпроводящими состояниями, подобно магниту, который сначала ориентирован в одном направлении, а затем может изменить ориентацию под воздействием магнитного поля. «Это сверхпроводник, демонстрирующий неожиданное поведение», — отмечает Зах Хаджри ( Zach Hadjri), один из авторов статьи.

Команда подтвердила наличие эффекта на шести образцах, прошедших испытания. Ученые считают, что особая структура ромбоэдрического графена является определяющим фактором для проявления обнаруженных свойств. Материал обладает весьма простой структурой, состоящей из атомов углерода. При охлаждении до сверхнизких температур тепловые колебания минимизируются, что позволяет электронам, проходящим через него, замедляться, ощущать присутствие друг друга и взаимодействовать.

Данные квантовые взаимодействия способны вызывать формирование электронных пар и обеспечивать сверхпроводимость. Они также могут способствоватьобеспечивают синхронное поведение электронов — они могут располагаться в одном из двух противоположных состояний, либо энергетических «уровней». Если все электроны оказываются на одной стороне такого уровня, то они начинают двигаться в едином направлении.

В стандартных сверхпроводниках электроны распределены по различным энергетическим уровням, и обычно каждая пара состоит из частиц с противоположными значениями этих уровней. Это приводит к тому, что общая пара характеризуется нулевым импульсом и отсутствием вращения.

Тем не менее, в недавно открытой структуре наблюдается взаимодействие электронов таким образом, что они используют одно общее энергетическое состояние. При образовании пар сверхпроводящие частицы приобретают ненулевой импульс и начинают вращаться – вместе с другими подобными парами, может создавать внутреннюю сверхпроводящую намагниченность.

«Представьте себе два электрона в паре, движущиеся по часовой стрелке или против нее; это соответствует направленному вверх или вниз магнитному моменту. Мы полагаем, что это первое зафиксированное проявление сверхпроводника с магнитным свойством, обусловленным вращением электронов. Это особый тип – хиральный сверхпроводник. Кроме того, он рассматривается как потенциальный топологический сверхпроводник, который может быть использован для создания надежных квантовых компьютеров», — заявил Тонгхан Хан. Tonghang Han), другой автор статьи.