Поворот на «магический угол» сделал двухслойный графен сверхпроводящим

Ученые из США и Японии впервые изготовили сверхпроводник, состоящий исключительно из атомов углерода. Для этого они охладили двухслойный графен до температуры порядка нескольких кельвинов и повернули его верхний слой на «магический угол». Статья опубликована в Nature.

Большинство металлов при достаточно сильном охлаждении переходит в сверхпроводящее состояние — их электрическое сопротивление падает до нуля, а магнитное поле вытесняется из объема. Подобное поведение можно объяснить в рамках нобелевской теории Бардина-Купера-Шриффера (БКШ), в которой электроны обмениваются фононами, связываются в пары и образуют конденсат Бозе — Эйнштейна. Подробнее о различных механизмах сверхпроводимости можно прочитать в нашем материале «Ниже критической температуры».

К сожалению, теория БКШ работает только для достаточно низких температур, не превышающих нескольких десятков кельвинов. С другой стороны, в середине восьмидесятых годов прошлого века было открыто явление высокотемпературной сверхпроводимости, сохраняющейся до температур порядка 100-150 кельвинов. В настоящее времени физикам известно довольно много высокотемпературных сверхпроводников, которые не описываются ни теорией БКШ, ни ее расширениями. Такие сверхпроводники называют нетрадиционными (unconventional superconductivity). На данный момент единая теория нетрадиционной сверхпроводимости еще не построена. Это мешает ученым разработать сверхпроводники, которые будут работать при комнатной температуре, и заставляет их искать новые подходы.

В этой статье группа ученых под руководством Пабло Харильо-Эрреро (Pablo Jarillo-Herrero) описывает экспериментальное наблюдение нетрадиционной сверхпроводимости в двухслойном графене, слои которого сдвинуты на небольшой «магический угол» (‘magic’ angle twisted bilayer graphene, MA-TBG). «Магический угол» — это угол, при котором скорость Ферми в материале падает до нуля, в двухслойном графене первый «магический угол» близок к 1,1 градусу. По своим свойствам система напоминает хорошо изученные купраты (которым принадлежал предыдущий рекорд сверхпроводимости около 160 кельвинов), однако плотность носителей заряда (куперовских пар) в ней примерно на порядок ниже, чем в типичных двумерных сверхпроводниках, и составляет примерно 10¹¹ частиц на квадратный сантиметр. В то же время, максимальная критическая температура для исследуемого образца достигает 1,7 кельвинов.

Чтобы изготовить экспериментальный образец, ученые осаждали графеновые хлопья на кремниевую подложку, выбирали из них наиболее качественные, а затем накладывали на них тонкий слой гексагонального нитрида бора. Затем ученые приподнимали слой нитрида бора с помощью установки микропозиционирования. Благодаря силе Ван-дер-Ваальса графен «приклеивался» к нитриду бора, и это позволяло разорвать графен на два тонких слоя и повернуть их друг относительно друга на небольшой угол порядка одного градуса, а затем скрепить заново. Затем получившийся MA-TBG ученые охлаждали до низких температур и прикрепляли к нему золотые электроды, чтобы измерить его сопротивление. Кроме того, ученые измерили фазовую диаграмму нетрадиционной сверхпроводимости и увидели квантовые осцилляции.

В результате ученые выяснили, что при определенной плотности свободных носителей заряда (управлять ей можно, прикладывая напряжение к нижнему электроду) MA-TBG переходит в сверхпроводящее состояние, причем критическая температура составляет примерно 1,7 кельвинов, а критическое магнитное поле — около 0,05 Тесла. При отклонении угла поворота от «магического» значения сверхпроводящие свойства материала ухудшались. Более того, при определенных значениях параметров MA-TBG проявлял свойства Моттовского изолятора, и его сопротивление вырастало до величины порядка десяти килоом. Также стоит отметить, что плотность носителей заряда, при которой наступает сверхпроводимость, примерно на порядок ниже, чем в других нетрадиционных сверхпроводниках.

Интересно, что отношение критической температуры T_c к температуре Ферми T_F в MA-TBG примерно равно T_c/T_F ~ 0,1 и сравнимо с отношениями для других нетрадиционных сверхпроводников, в то время как для сверхпроводников, описываемых теорией БКШ, это отношение принимает гораздо меньшие значения. Кроме того, критическая температура MA-TBG составляет около 0,37 от температуры T_BEC, при которой все носители заряда связываются в пары и образуют конденсат Бозе — Эйнштейна. Это указывает на очень сильную связь между электронами в двухслойном графене.

Авторы статьи отмечают, что исследованная ими система очень легко настраивается, и их результаты могут быть в дальнейшем легко улучшены. Например, при приложении большого внешнего давления гибридизация между двумя слоями усилится, что может привести к увеличению критической температуры.

В настоящее время температурный рекорд сверхпроводимости принадлежит сероводороду. При нормальных условиях это вещество является обычным газом, однако при давлении около 160 гигапаскаль и температуре более 200 кельвинов (−70 градусов цельсия) переходит в сверхпроводящее состояние.

Дмитрий Трунин