Физики обнаружили прямые признаки «нестандартной» сверхпроводимости в графене при «магическом угле»

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) представили наиболее весомые на сегодняшний день доказательства экзотической сверхпроводимости в так называемом «magic-angle twisted tri-layer graphene» (MATTG) — трёхслойном графене, где атомарно тонкие пластины повернуты друг относительно друга под строго выверенным «волшебным» углом.

В то время как традиционные сверхпроводники обеспечивают прохождение тока без сопротивления лишь при экстремально низких температурах и с помощью сложных систем охлаждения, в MATTG был выявлен совершенно иной механизм: специфический энергетический зазор, возникающий при формировании электронных пар в сверхпроводящем состоянии. Этот «сверхпроводящий зазор» отражает прочность электронных связей и варьируется в зависимости от температуры и внешнего магнитного поля. Именно его конфигурация служит ключом к пониманию природы сверхпроводимости.

Группа MIT создала уникальную экспериментальную установку, сочетающую туннельную спектроскопию с электропереносными измерениями — мониторингом сопротивления и тока, проходящего через образец. Туннельная спектроскопия опирается на квантовый эффект туннелирования, при котором электроны, обладая дуализмом волны и частицы, способны «пробираться» через потенциальные барьеры. Анализ их способности к «протеканию» позволяет оценить энергетическое распределение и прочность связей. В данном приборе исследователи одновременно регистрировали исчезновение сопротивления (сигнальный признак сверхпроводимости) и формирование энергетического зазора в спектре.

В MATTG энергетический туннельный зазор проявлялся исключительно при полном исчезновении сопротивления, однозначно связывая данный эффект с сверхпроводящим состоянием. По мере изменения температуры и силы магнитного поля контур зазора формировался в отчётливую V-образную форму — в отличие от более ровного и закруглённого профиля, свойственного классическим сверхпроводникам, где электронные пары возникают за счёт фононных флуктуаций кристаллической решётки.

Такой V-образный профиль свидетельствует о «узловой» топологии сверхпроводящей фазы: в некоторых направлениях величина зазора сводится к нулю. Исследователи связывают это с тем, что в MATTG формирование электронных пар обусловлено сильными кулоновскими взаимодействиями, а не вибрациями атомной решётки. По словам соавтора Шувэна Суна (Shuwen Sun), именно конфигурация сверхпроводящего зазора открывает путь к пониманию механизмов, способных обеспечить работу материалов при более высоких и технологически приемлемых температурах. Глава группы Пабло Харильо-Эрреро (Pablo Jarillo-Herrero) подчёркивает, что глубокое изучение одного нетрадиционного сверхпроводника может заложить основы для создания других, в том числе способных функционировать при комнатной температуре.

Это открытие базируется на более чем десятилетнем развитии «твистроники» — области, исследующей электронные свойства ультратонких материалов, уложенных под строго заданными углами. Ещё в 2018 году группа Харильо-Эрреро впервые продемонстрировала нетривиальные квантовые явления в двуслойном графене с магическим углом, что стало импульсом к быстрым научным достижениям в этой сфере. Новый же результат переводит область от косвенных свидетельств к прямому спектральному подтверждению необычной сверхпроводимости в многоуровневой графеновой структуре.

Учёные намерены применять созданную платформу для исследования других «скрученных» и многослойных материалов. По их мнению, совмещение туннельной спектроскопии с транспортными измерениями на одном и том же образце позволяет наблюдать в реальном времени зарождение и взаимодействие различных квантовых фаз — от сверхпроводимости до иных упорядоченных состояний. Это предоставляет физикам более чёткий инструмент для верификации теорий и целенаправленного проектирования перспективных квантовых материалов.

Данное исследование убедительно демонстрирует экзотический вариант сверхпроводимости в управляемой, настраиваемой системе и предлагает методологию для его детального анализа. Теперь физики получают более ясное представление о ключевых электронных процессах и о том, как с помощью точного «углового» и структурного конструирования слоёв создавать материалы для будущих энергоэффективных технологий и квантовых устройств.

Источник: iXBT