Физики из Массачусетского технологического института (MIT) обнаружили, что трехслойный графен «под магическим углом» может быть редким антимагнитным сверхпроводником.

Новые открытия могут помочь в разработке более мощных аппаратов МРТ или мощных квантовых компьютеров.

Физики из Массачусетского технологического института заметили признаки редкого типа сверхпроводимости в материале, называемом трехслойным графеном, закрученным под магическим углом. В исследовании, опубликованном в природаИсследователи сообщают, что материал демонстрирует сверхпроводимость в удивительно высоких магнитных полях до 10 Тесла, что в три раза выше, чем то, что материал, как ожидается, выдержит, если бы он был обычным сверхпроводником.

Результаты убедительно свидетельствуют о том, что волшебный трехслойный графен, который был первоначально открыт той же группой, представляет собой очень редкий тип сверхпроводника, известный как «спиновой триплет», непроницаемый для сильных магнитных полей. Такие экзотические сверхпроводники могут значительно улучшить такие методы, как магнитно-резонансная томография, при которой сверхпроводящие провода используются в магнитном поле, чтобы резонировать с биологическими тканями и отображать их. Аппараты МРТ в настоящее время ограничены магнитными полями от 1 до 3 Тесла. Если бы они могли быть построены с использованием сверхпроводников с тройным спином, МРТ могла бы работать в более сильных магнитных полях, чтобы получать более четкие и глубокие изображения человеческого тела.

Новое свидетельство тройной спиновой 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 основам сверхпроводимости и тому, как материалы могут вести себя, так что, извлеченные уроки, мы можем попытаться разработать принципы для других материалов, которые легче производить, и, возможно, это даст вам лучшую сверхпроводимость », — говорят Пабло Харилло Эрреро, профессор физики Сесил и Ида Грин из Массачусетского технологического института.

Соавторами статьи являются Юань Као и аспирант Чон Мин Пак из Массачусетского технологического института, Кенджи Ватанабе и Такаши Танигучи из Национального института материаловедения в Японии.

странная трансформация

Сверхпроводящие материалы характеризуются их высокоэффективной способностью проводить электричество без потерь энергии. Под воздействием электрического тока электроны в сверхпроводнике объединяются в «медные пары», которые затем проходят через материал без сопротивления, как пассажиры в скоростном поезде.

В подавляющем большинстве сверхпроводников эти пассажирские пары имеют противоположный спин: один электрон вращается вверх, а другой — вниз — конфигурация, известная как «сингулярный спин». Эти пары ускоряются сверхпроводником, за исключением сильных магнитных полей, которые могут сдвигать энергию каждого электрона в противоположных направлениях, отделяя пару друг от друга. Таким образом и через механизмы сильные магнитные поля могут нарушить сверхпроводимость в обычных спиновых сверхпроводниках.

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

Но есть несколько странных сверхпроводников, на которые не действуют магнитные поля даже очень большой силы. Эти материалы обладают сверхпроводимостью через пары электронов с одинаковым спином — свойство, известное как «тройной спин». При воздействии сильных магнитных полей энергия обоих электронов в куперовской паре смещается в одном направлении, так что они не отделяются друг от друга, а продолжают сверхпроводимость без помех, независимо от силы магнитного поля.

Группе Харилло-Эрреро было любопытно, может ли трехслойный графен с магическим углом давать ключи к разгадке необычной трехспиновой сверхпроводимости. Команда провела революционную работу по изучению графеновых муаровых структур — слоев углеродных решеток толщиной до атома, которые, если их сложить под определенными углами, могут привести к удивительным электронным свойствам.

Первоначально исследователи сообщили о таких необычных свойствах двух наклонных листов графена, которые они назвали магическим двухслойным графеном. Вскоре они последовали за испытаниями трехслойного графена — сэндвича из трех листов графена, который оказался более прочным, чем его двухслойный аналог, но сохранил свою сверхпроводимость при более высоких температурах. Когда исследователи применили умеренное магнитное поле, они заметили, что трехслойный графен способен к сверхпроводимости при напряженности поля, которое разрушило бы сверхпроводимость в двухслойном графене.

«Мы думали, что это очень странная вещь», — говорит Ярило Эрреро.

чудесное возвращение

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

По мере того, как они увеличивали магнитное поле вокруг трехслойного графена, они заметили, что сверхпроводимость сохранялась довольно сильно, прежде чем исчезнуть, но затем интригующе вновь возникла при более высоких значениях поля — очень необычное повторение, которое, как известно, не встречается в обычных сверхпроводниках.

«В односпиновых сверхпроводниках, если вы убьете сверхпроводимость, она никогда не вернется — она ​​ушла навсегда», — говорит Као. «Здесь оно снова появилось. Это определенно указывает на то, что это вещество не является единичным».

Они также отметили, что после «повторного входа» сверхпроводимость сохранялась до 10 Тесла, максимальной напряженности поля, которую может создать лабораторный магнит. Это примерно в три раза больше, чем то, что сверхпроводник должен был бы выдержать, если бы это был обычный спиновый одиночный, согласно пределу Паули, теории, которая предсказывает максимальное магнитное поле, в котором материал может сохранять сверхпроводимость.

Появление трехслойной сверхпроводимости графена в сочетании с его стабильностью в магнитных полях, превышающих ожидаемые, исключает возможность того, что этот материал является обычным сверхпроводником. Вместо этого, скорее всего, это будет очень редкий, вероятно, тройной вид, который содержит куперовские пары, которые движутся сквозь материал, непроницаемые для сильных магнитных полей. Команда планирует просверлить материал, чтобы подтвердить его точное состояние вращения, что может помочь в разработке более мощных МРТ, а также более мощных квантовых компьютеров.

«Обычные квантовые вычисления очень хрупкие», — говорит Харилло Эрреро. «Вы смотрите на него, и он исчезает гомо. Около 20 лет назад теоретики предложили тип топологической сверхпроводимости, которая, если бы она была реализована в любом материале, могла бы [enable] Квантовый компьютер, в котором состояния, отвечающие за вычисления, очень мощные. Это дало бы больше бесконечных возможностей для вычислений. В первую очередь необходимо знать о трехспиновых сверхпроводниках определенного типа. Мы понятия не имеем, относится ли наш вид к такому виду. Но даже если бы это было не так, это могло бы облегчить размещение трехслойного графена с другими материалами для создания такого типа сверхпроводимости. Это может быть отличный взлом. Но еще слишком рано ».

Ссылка: «Нарушение предела Паули и повторный вход сверхпроводимости в рябь графена» Юань Као, Пак Чон Мин, Кенджи Ватанабе, Такаши Танигути и Пабло Харилло-Эрреро, 21 июля 2021 г., природа.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-у

Это исследование было поддержано Министерством энергетики США, Национальным научным фондом, Фондом Гордона и Бетти Мур, Фондом Рамона Эрисеса и Программой квантовых материалов Севаре.