В магическом трехслойном графене нашли два режима сверхпроводимости

Американские и японские физики исследовали сверхпроводимость в трехслойном графене, скрученном на магический угол, с помощью сканирующей туннельной спектроскопии. Они выяснили, что в такой структуре сосуществуют два режима сверхпроводимости, возникающие при различной плотности носителей зарядов. Исследование опубликовано в Nature.

Исследование муаровых сверхрешеток превратилось в последнее десятилетие в богатый источник новой физики. Такие сверхрешетки создаются наложением двух или более кристаллических монослоев со слегка отличающейся геометрией. Муаровый узор может получиться, если накладывать слои из разных материалов, а также если накладывать одинаковые слои, но под небольшими углами. В последнем случае много интересных явлений таит в себе скрученный графен. Подробнее об этом вы можете прочитать в материале «Тонко закручено».

Среди прочего выяснилось, что двухслойный графен, скрученный на магический угол, демонстрирует нетрадиционную сверхпроводимость. Понимание того, как она возникает в графене, может помочь разобраться с высокотемпературной сверхпроводимостью, поэтому физики всесторонне изучают этот вопрос. Не так давно ученые обнаружили ее в скрученном трехслойном графене. Такие структуры обладают бо́льшим числом параметров, с помощью которых можно менять их свойства. Несмотря на это, структура локальных электронных состояний в магическом трехслойном графене почти не исследована.

Физики из США и Японии под руководством Стевана Надж-Перге (Stevan Nadj-Perge) из Калифорнийского технологического института сообщили об исследовании трехслойного графена, скрученного на магический угол (magic-angle twisted trilayer graphene, MATTG) с помощью сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии высокого разрешения. Исследуя сигнал дифференциальной проводимости, ученые показали, что в такой структуре может возникать сверхпроводимость двух различных типов, для переключения между которыми необходимо изменить концентрацию носителей заряда.

Сверхпроводимостью обладает большинство металлов. Она появляется тогда, когда их температура опускается ниже некоторого предела. В этом случае фононное взаимодействие между электронами превращает их в куперовские пары, которые образуют бозе-конденсат. Теорию, которая это объясняет, предложили Бардин, Купер и Шриффер (ее называют теорией БКШ). Подробнее об этом читайте в материале «Ниже критической температуры».

С момента присуждения Нобелевской премии за это открытие появилось много сред, в которых сверхпроводимость, в том числе высокотемпературная, не описывается теорией БКШ. К их числу относится скрученный на магический угол графен. Примечательно, что сверхпроводящая фаза в нем соседствует с режимом моттовского изолятора. В таких изоляторах сопротивление резко возрастает из-за сильных корреляций между электронами, которые мешают друг другу распространятся.

Чтобы подробнее исследовать аналогичные эффекты в трехслойном графене, авторы скручивали средний слой относительно двух других на магический угол, который для такой структуры был примерно равен полутора градусам. Это создавало в ней муаровую сверхрешетку с периодом равным девяти нанометрам. В энергетическую зону одной ее ячейки вмещается до четырех носителей заряда: либо электронов, либо дырок. Управлять этим параметром можно с помощью электрического поля, создаваемого дополнительными затвором. Физики строили карты дифференциальной проводимости (то есть того, насколько больше тока протекает через среду при небольшом увеличении напряжения) для различной концентрации носителей заряда, напряжения на смещающем золотом электроде, присоединенном к трислою, а также различных магнитных полях и температурах.

Они обнаружили на карте две области, в которых структура переходила в режим коррелированного изолятора. Одна из них появлялась, когда ячейка сверхрешетки была заполнена примерно двумя (от 1,9 до 2,1) отрицательными зарядами, вторая — от 2,2 до 3 зарядов. Меняя в этих пределах смещающее напряжение, физики сталкивались с пиками проводимости, несимметричными в первом и симметричными во втором случае.

Различалась также форма провала, который испытывала проводимость при нулевом смещении. В первом случае он обладал плоским дном (U-образная форма), во втором — более острым (V-образная форма). Исследуя параметры пиков от температуры, авторы пришли к выводу, что обе области соответствуют различному режиму сверхпроводимости: U-образная форма соответствует Бозе — Эйнштейновской конденсации (БЭК) куперовских пар в условиях корреляционно-обусловленной запрещенной зоны, V-образная — в бесщелевом режиме, когда поверхность ферми лежит в зоне проводимости, то есть, в традиционном БКШ-режиме. Примечательно, что в скрученном трехслойном графене БЭК и БКШ режимы имеют четкую границу, в отличие от высокотемпературных сверхпроводников, в которых наблюдается кроссовер БКШ—БЭК.

Похожие эффекты возникают в трехслойном нескрученном графене, расположенном между слоями нитрида бора. Муаровая решетка в этом случае возникает из-за несовпадения периодов разных материалов.

Марат Хамадеев