Американские физики предложили модель, которая качественно объясняет сверхпроводимость двухслойного графена при повороте на «магический» угол. С одной стороны, в этой модели электроны из соседних слоев притягиваются за счета обмена оптическими фононами и образуют куперовские пары; с другой стороны, кулоновское отталкивание мешает электронам собраться в пары и уменьшает критическую температуру графена. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
В марте этого года группа ученых под руководством Пабло Харильо-Эрреро (Pablo Jarillo-Herrero) неожиданно обнаружила, что двухслойный графен становится сверхпроводником, если повернуть его слои на «магический» угол. «Магический» угол — это угол, при котором скорость Ферми в материале падает до нуля, в двухслойном графене первый «магический» угол близок к 1,1 градуса. Критическая температура такого сверхпроводника составляет примерно 1,7 кельвина, а его свойства напоминают высокотемпературные сверхпроводники — например, широко известные купраты. Несмотря на то, что на тот момент физикам были известны и другие необычные свойства двухслойного графена [1,2], открытие сверхпроводимости было абсолютно неожиданным — ни одна теоретическая модель не могла объяснить это странное явление.
Группа физиков под руководством Ивара Мартина (Ivar Martin) предложила модель, которая может объяснить сверхпроводимость двухслойного графена. Как и в обычных сверхпроводниках, которые описываются теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ), в предложенной модели сверхпроводимость возникает за счет электрон-фононного взаимодействия, которое связывает электроны в куперовские пары и позволяет им образовать бозе-конденсат. Тем не менее, детали модели отличаются от «традиционной» сверхпроводимости.
Прежде чем описать механизм образования куперовских пар, ученые рассмотрели муаровый гамильтониан, который описывает энергию квазичастиц-электронов, распространяющихся в двухслойном графене. Для этого физики учли не только движение электронов в верхнем или нижнем слое, но и туннелирование между слоями. Свое название гамильтониан получил из-за муарового узора, который образуют листы графена, повернутые на угол θ. Приближенно такой узор можно описать с помощью треугольной решетки, постоянная которой в 1/2sin(θ/2) раз больше постоянной исходной шестиугольной решетки листов графена; подробнее о муаровом узоре можно прочитать в задаче Игоря Иванова. Используя симметрию и топологические свойства системы, ученые рассчитали зонную структуру получившегося проводника; как и ожидалось, она сильно зависит от угла θ. В частности, вблизи «магического» угла энергетические зоны становятся практически плоскими, плотность состояний электронов растет, и взаимодействием между квазичастицами пренебречь нельзя. Кроме того, в пределах одной зоны различаются энергии электронов, импульсы которых совпадают по модулю, но направлены в разные стороны. Поэтому образование куперовских пар в пределах одной зоны энергетически невыгодно, и физики им пренебрегли.
Затем исследователи рассмотрели несколько фононных мод, возникающих в двухслойном графене — например, моды сдвига слоев перпендикулярно или параллельно плоскости, — и оценили вклады, которые они вносят в образование куперовских пар. Оказалось, что наибольший эффект связан с оптическими фононами, которые описывают колебания атомов, не согласованные по фазе (грубо говоря, один атом движется влево, другой — вправо). Интегрируя гамильтониан взаимодействия по фононным модам, ученые получили теорию, похожую на теорию БКШ, и рассчитали вероятность образования пар в зависимости от энергии и химического потенциала частиц. Интенсивность образования пар зависит от того, происходит рассеяние частиц в s-волне (суммарный угловой момент пары L = 0) или d-волне (L = 1), поэтому в первом случае критическая температура достигает 10 кельвинов, а во втором случае — 3 кельвин (если угол близок к «магическому»). При этом максимально возможная плотность состояний составляет примерно 10 электронвольт на квадратный нанометр. Таким образом, система находится в режиме сильной связи (то есть константа связи, описывающая взаимодействие электронов, порядка единицы).
Это противоречит данным эксперимента, в котором максимальная температура сверхпроводимости не превышала двух кельвинов. Поэтому физики заметили, что зонная структура двухслойного графена обладает электрон-дырочной асимметрией, а потому теория чувствительна к настройке параметров. Кроме того, из-за высокой плотности состояний необходимо учитывать кулоновское отталкивание между электронами, которое мешает электронам собраться в куперовскую пару. В этой работе ученые рассмотрели феноменологическую модель, в которой отталкиваются электроны, находящиеся в одном и том же (on-site repulsion) или разных (nearest-neighbor repulsion) квантовых состояниях. Первый тип отталкивания подавляет образование куперовских пар через рассеяние в s-волне, второй — в d-волне. Подбирая энергию каждого типа отталкивания, им удалось воспроизвести экспериментальные данные. Поэтому ученые считают, что их теория качественно описывает происходящие в двухслойном графене процессы, и предлагают отслеживать пары с помощью экспериментов, чувствительных к фазе частиц.
Впервые сверхпроводимость была открыта более ста лет назад — в 1911 году Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил, что при температуре около трех Кельвинов сопротивление ртути падает до нуля. Тем не менее, физики до сих пор плохо понимают, почему те или иные вещества становятся сверхпроводниками, и постоянно открывают новые необычные эффекты. Например, в июне 2016 года физики из Японии и Нидерландов обнаружили, что в сверхпроводнике на основе селенида висмута верхнее критическое поле сильно зависит от направления в кристалле. Ранее подобная асимметрия в сверхпроводниках не наблюдалась. В марте 2018 исследователи из США и Германии выяснили, что в сверхпроводниках состава BaFe2As2 выше критической температуры возникает пьезомагнитная фаза, в которой магнитные свойства кристалла меняются при растяжении. Пока что теоретики не могут объяснить эти свойства. А в сентябре сразу две группы физиков сообщили, что при температуре −13 градусов Цельсия и давлении два миллиона атмосфер гидрид лантана LaH10 переходит в сверхпроводящее состояние. Таким образом, ученые практически вплотную приблизились к сверхпроводимости при комнатной температуре (впрочем, применить их открытие на практике нельзя). Прочитать о разных механизмах сверхпроводимости — проверенных экспериментально или существующих только в теории — можно в материале «Ниже критической температуры».
Вчера журнал Nature назвал десять ключевых персон в сфере науки. В том числе, в этот список попал первооткрыватель «магических» сверхпроводящих свойств двухслойного графена, 21-летний физик Юань Цао (Yuan Cao).
Дмитрий Трунин
Их погребения раскопали в Испании
Палеогенетики секвенировали ДНК почти 250 человек, которых похоронили на территории современной Испании во II–VIII веках нашей эры. Помимо того, что ученые выяснили, как менялся генетический ландшафт на Пиренейском полуострове во времена римского господства и в эпоху Великого переселения народов, они обнаружили родных брата и сестру, которые принадлежали к древней германской элите и были похороне…