Физикам графен по-прежнему оказывается полезным инструментом. В новейшем случае этот тонкий слой углерода предохранил ценное квантовое взаимодействие от воздействия окружающей среды
Сверхпроводящие материалы способны пропускать электрический ток без каких-либо потерь энергии, однако на данный момент это возможно лишь в строго определенных условиях. Специалисты непрерывно ведут исследования, направленные на то, чтобы расширить область применения сверхпроводимости за пределы лабораторных условий.
Обычно сверхпроводимость подавляется магнитным полем, за исключением случаев, когда в составе материала присутствуют элементы с высокой атомной массой. В таких элементах спины взаимодействуют с движением электронов по механизму спин-орбитального взаимодействия.
В данных материалах сверхпроводимость может возникать по механизму, аналогичному модели Изинга, при котором спины электронов фиксируются в направлении, перпендикулярном плоскости кристаллической структуры. Такая особенность обеспечивает защиту электронных пар от воздействия магнитных полей. Известно, что изинговская сверхпроводимость наблюдалась пока только в соединениях, содержащих тяжелые химические элементы.
Ученые обнаружили метод поддержания сверхпроводимости в магнитном поле для легкого галлия. Для достижения этой цели металл был расположен между слоями графена и карбида кремния. Взаимодействие материалов на границе их соприкосновения обеспечивает сохранение сверхпроводящих характеристик всей конструкции. О результатах этой работы сообщается в научной статье вышла в журнале Nature Materials.
Ученые разработали многослойную структуру, размещенную на основе из карбида кремния ( 6H-SiC(0001)). На нее нанесли графен и заставили галлий проникнуть между подложкой и графеном. Последний защищает галлий от окисления и загрязнения.
Образовавшаяся структура продолжает проявлять сверхпроводимость при воздействии магнитных полей, направленных параллельно поверхности материала. Значение магнитного поля, при котором сверхпроводимость сохранялась, составила 21 тесла при температуре эксперимента в 400 милликельвин, что более чем в три раза превысило теоретический предел Паули.
Исследователи объясняют данное явление уникальной квантовой структурой, возникающей на стыке различных материалов. Тонкий слой галлия подвержен квантовому ограничению — меняется конфигурация энергетических уровней металла. А взаимодействия с подложкой приводят к сильной гибридизации электронных орбиталей и изменению зонной структуры образца.
«Мы смогли раскрыть это явление, которое было бы трудно реализовать в рамках одной исследовательской группы, только благодаря объединению опыта в области синтеза материалов, квантового транспорта и теоретического моделирования», — заключил руководитель исследовательской группы, профессор Цуй-Цзу Чан ( Cui-Zu Chang).