Графен с “волшебным углом” может помочь разгадать загадку того, как работают нетрадиционные сверхпроводники
Материал, состоящий из трех слоистых и повернутых графеновых листов (показан фиолетовым цветом), демонстрирует нетрадиционную сверхпроводимость. В этом материале электроны (желтые) объединяются в пары таким образом, что позволяют им перемещаться без сопротивления.
Аккуратно скрученные графеновые пластины приобретают сверхспособность: они становятся сверхпроводниками. Теперь у ученых есть новые доказательства того, что графен с “волшебными углами” относится к действительно необычному классу сверхпроводников.
Как и все сверхпроводники, эти материалы, известные как нетрадиционные сверхпроводники, при охлаждении передают электричество без сопротивления. Но эти необычные сверхпроводники требуют меньшего охлаждения, чем большинство других. И нет общепринятой теории, которая объясняла бы, как они это делают.
Ключ к разгадке теперь могут дать двумерные листы углерода, называемые графеном, уложенные друг на друга и скрученные определенным образом. Тройной слой скрученного графена является ключевой отличительной чертой многих нетрадиционных сверхпроводников, сообщают физик Массачусетского технологического института Пабло Харилло-Эрреро и его коллеги в журнале Science от 6 ноября.
Это вселяет надежду на то, что ученые смогут проанализировать материал, чтобы лучше понять нетрадиционные сверхпроводники и разработать новые, подходящие для технологических применений, возможно, даже такие, которые будут работать при комнатной температуре.
В 2018 году Харилло-Эрреро и его коллеги обнаружили, что два листа графена, скрученные под определенным “магическим углом” относительно друг друга, могут проводить электричество без сопротивления. В то время уже были признаки, указывающие на нетрадиционную сверхпроводимость. Но “не было никаких доказательств”, — говорит Харилло-Эрреро. Теперь “все больше и больше доказательств того, что это нетрадиционный сверхпроводник”.
В обычных сверхпроводниках электроны объединяются в пары таким образом, чтобы облегчить их прохождение через материал. Эти пары, известные как куперовские пары, образуются в результате взаимодействия электронов с атомами, составляющими кристаллическую решетку материала. В 1980-х годах ученые обнаружили сверхпроводники, которые не соответствовали этому объяснению, например, материалы на основе меди, называемые купратами. В этих нетрадиционных сверхпроводниках также образуются куперовские пары, но до конца не изучено, что заставляет электроны взаимодействовать.
С помощью графена с магическим углом наклона ученые надеются добиться прогресса в разработке теории, которая сможет объяснить особенности нетрадиционных сверхпроводников. Это связано с тем, что графен с магическим углом наклона проще и, возможно, его легче понять, чем ранее изученные типы нетрадиционных сверхпроводников.
“Это химически чистая система. Это просто углерод”, — говорит физик Али Яздани из Принстонского университета, который работает над графеном с магическим углом наклона, но не участвовал в новой работе. “Мы всегда искали материалы попроще, которые демонстрировали бы эту экзотическую сверхпроводимость, чтобы изучить ее более тщательно”.
Большое внимание было уделено так называемой сверхпроводящей щели. Для разделения электронных пар сверхпроводника требуется определенное количество энергии. Зазор в сверхпроводнике — это количество энергии, необходимое для освобождения электрона, и это ключевая характеристика сверхпроводников.
В стандартных сверхпроводниках этот энергетический зазор обычно соответствует размеру любого электрона, проходящего через него. Но в нетрадиционных сверхпроводниках величина зазора может зависеть от импульса электронов. Электроны, движущиеся в определенных направлениях, вообще не будут испытывать зазора. Эти импульсы без зазоров называются узлами, и они характерны для многих нетрадиционных сверхпроводников.
Чтобы обнаружить этот эффект в графене с магическим углом наклона, ученые изготовили сэндвич из материалов. Изолятор, называемый гексагональным нитридом бора, был окружен двумя слоями графена с магическим углом наклона, каждый из которых состоял из трех слоев графена. Исследователи измерили, как электроны из графена с магическим углом наклона могут проскакивать через изолятор посредством процесса, называемого квантовым туннелированием. Это указывало на то, сколько энергии требуется для разрыва электронных пар сверхпроводника, и выявляло энергетический зазор в материале.
Два слоя графена с магическим углом наклона (золотой), каждый из которых состоит из трех отдельных слоев графена, соединяют материал, называемый гексагональным нитридом бора (синий). Ученые использовали показанное устройство для исследования сверхпроводящих свойств графена с магическим углом наклона.Пабло Харилло-Эрреро и др./Science 2025
Зазор вел себя так, как и ожидалось для нетрадиционного сверхпроводника с узлами в энергетическом зазоре. Одновременно исследователи показали, что ток протекал через материал без сопротивления. Регулировка магнитного поля и температуры также дала результаты, которые соответствовали ожиданиям для сверхпроводника с узлами.
В нетрадиционных сверхпроводниках узлы означают, что электроны, движущиеся в определенных направлениях, не участвуют в куперовских парах. “И этот эксперимент очень убедительно показывает, что именно это происходит в этих графеновых системах, скрученных под магическим углом”, — говорит физик Аллан Макдональд из Техасского университета в Остине, который не принимал участия в исследовании.
Более ранние исследования также указывали на подобное поведение. Растущее единодушие только усиливает волнение. “Когда хор звучит слаженно, это очень здорово”, — говорит Яздани. “Когда все поют один и тот же гимн, экспериментируя по-разному, вот тогда у нас есть прогресс”.