Группа физиков из США, Испании, Австрии, Австралии и Китая впервые выделила изменения электронного строения двумерного сверхпроводника при понижении его размерности, то есть при переходе от объемного материала к однослоевому. Оказалось, что в монослоевом материале отсутствуют некоторые из энергетических зон объемного материала, которые могут отвечать за сверхпроводимость. Работа опубликована в журнале Nature Physics, пресс-релиз доступен на сайте исследовательского центра NANOGUNE.
Халькогениды переходных металлов, в том числе и селенид ниобия NbSe2, показывают сильную разницу между свойствами объемных материалов (3D) и структур, состоящих из всего одного кристаллического слоя (2D). Ранее, например, ученые открыли сверхпроводимость в монослое селенида железа FeSe, причем его критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние (TC) составила порядка 100К, что больше чем в десять раз превышает TC объемного материала (~ 8К). Но свойства FeSe сильно зависели от материала подложки и разделить, какой именно вклад в сверхпроводимость вносит сам материал, и как влияет на него подложка из титаната стронция, было довольно сложно.
При понижении размерности в NbSe2теоретические расчеты предсказывают наличие фазового перехода металл-полуметалл, который определяется по изменению электронной структуры вещества. В отдельных атомах энергия электронов может принимать только определенные дискретные значения – их называют энергетическими уровнями. Они бывают «реальными», то есть на которых есть электроны, или «виртуальными», на которые электроны могут перейти при каком-то внешнем воздействии. В твердом теле отдельные атомные уровни «размываются» в большие энергетические зоны. Эти зоны во многом определяет свойства вещества: если последняя из «реальных» зон заполнена электронами только частично – вещество является проводником; если она заполнена полностью, а до ближайшей «виртуальной» есть промежуток в несколько электрон-вольт – полупроводником или диэлектриком. При переходе от трех- к двухмерному NbSe2 первая «виртуальная» зона начинает перекрываться с последней заполненной, образуя состояние, называемое полуметаллом.
Определение параметров электронной структуры – то есть геометрического расположения зон и их энергетический спектр – является одним из важнейших этапов при описании проводящих свойств твердых тел, в том числе и сверхпроводимости. Но какие именно особенности зонной структуры отвечают этому явлению – до сих пор остается предметом дискуссий. Поэтому одной из задач, которую поставили себе авторы, стало определение изменений, которые происходят в электронной структуре при понижении размерности сверхпроводника NbSe2 с 3D до 2D.
Для этого авторы вырастили монослой NbSe2 на подложке, представляющей собой двойной графеновый слой и сравнили полученные данные с объемным материалом. В первую очередь, ученые выделили вклад, который вносит в измерения подложка и доказали, что NbSe2 не образует с ней прочных химических связей. Доказательство проводили, сравнивая данные разных образцов, которые отличались взаимным расположением изучаемого монослоя и подложки: если бы она оказывала сильное влияние, то результаты измерений зависели бы от того, как именно смещены друг относительно друга эти кристаллические структуры. Это позволило сделать предположение о независимости поведения электронных систем материалов и получить данные для чистого двухмерного селенида ниобия.
Электронная структура (расположение и энергия) энергетических зон была определена комбинацией методов сканирующей туннельной микроскопии/спектроскопии и фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением, вместе позволяющим по анализу возможных электронных переходов (из зоны в зону) восстановить зонную структуру. Было показано, что энергетические зоны действительно перекрываются на величину, предсказанную ранее теоретически.
С другой стороны, было измерено, что при понижении размерности с 3D до 2D критическая температура понижается с 7,2 до 1,9 К. На текущим момент причина такого поведения неизвестна, но авторами исследования был сделан вывод, что энергетические зоны, отсутствующие в двухмерном NbSe2 играют ключевую роль в сверхпроводимости объемного образца.
Сверхпроводники - материалы, сопротивление которых считается абсолютным нулем (по крайней мере, его значение оказывается ниже чувствительности современных приборов). Однако в известных на данных момент материалах этот эффект проявляется только при очень низких температурах, и ученые не прекращают поиск все новых материалов, которые бы имели более высокую TC. Исследователи считают, что изучение механизмов, которые могут подавлять или усиливать сверхпроводимость, позволит им продвинуться в понимании этого явления.