Ранее существовало мнение, что сочетание сверхпроводящих и магнитных свойств в одном материале невозможно. Однако, недавно физики обнаружили материал, обладающий такими свойствами одновременно — это 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 в пространстве в форме ромбов, а структуру материала называют ромбоэдрической.
Физики Массачусетского технологического института (MIT, Ученые из США обнаружили, что структура, состоящая из четырех или пяти слоев графена, расположенных в «ромбоэдрической» конфигурации, обладает уникальными свойствами. Полученная структура, названная «хиральный сверхпроводник», характеризуется отсутствием электрического сопротивления и наличием собственной магнитной намагниченности. Результаты исследования были опубликованы в статье 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.
Исследование было направлено на изучение поведения разделенных электронов в различных условиях. Физики установили, что при охлаждении до 300 милликельвин (что соответствует температуре около минус 273 градусов Цельсия) материал проявляет сверхпроводящие свойства, позволяя электрическому току течь без потерь на сопротивление. Изменение внешнего магнитного поля приводит к переключению материала между двумя различными сверхпроводящими состояниями. Это свидетельствует о наличии у сверхпроводника определенной внутренней намагниченности, что не характерно для других подобных материалов.
Материал претерпел изменения в результате изменения учеными полярности 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 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 находиться в любой долине, и как правило, электронные пары формируются из электронов, расположенных в противоположных долинах, что приводит к взаимной компенсации. В итоге, такая пара характеризуется нулевым импульсом и не обладает вращательным движением.
В обнаруженной учеными структуре все электроны взаимодействуют таким образом, что совместно используют одно и то же энергетическое состояние или состояние импульса. При образовании пар электронов сверхпроводящая пара в целом обладает ненулевым импульсом и вращением, что — наряду с другими особенностями — может создавать внутреннюю сверхпроводящую намагниченность.
«Можно предположить, что два электрона в паре вращаются по часовой стрелке или против нее, что соответствует магниту, направленному вверх или вниз. Мы полагаем, что это первое наблюдение сверхпроводника, демонстрирующего магнитные свойства благодаря орбитальному движению электронов. Это хиральный сверхпроводник, представляющий собой уникальный случай. Он также является перспективным кандидатом в топологические сверхпроводники, что потенциально может обеспечить стабильные квантовые вычисления ( Tonghang Han), другой автор статьи.