Увеличение числа слоев в скрученном графене привело к большей стабильности сверхпроводящего состояния

Физики обнаружили стабильную сверхпроводимость в многослойном графене, слои которого повернуты друг относительно друга. Ученые исследовали от трех до пяти скрученных слоев графена. С увеличением числа слоев графен чаще проявлял свойства сверхпроводника, чем изолятора, и сохранял их влоть до двух кельвин. Открытые закономерности переходов между изолирующим и сверхпроводящим состоянием помогут при создании графеновых сверхпроводников. Работа опубликована в Science.

Электронные свойства графена можно менять, создавая многослойную структуру. Если слои графена повернуть относительно друг друга, они образуют гексагональный муаровый узор — двумерную периодическую решетку, период которой в несколько раз больше периода атомарной графеновой ячейки. Подробнее о двуслойном муаровом графене читайте в материале «Тонко закручено». В зависимости от угла поворота и внешних параметров (приложенного поля и температуры) такая система может быть проводником, изолятором или даже сверхпроводником. Сверхпроводимость возникает, когда слои повернуты на магический угол при температурах близких к нулю. Ученые связывают это явление с особенной электронной структурой скрученного графена.

Дело в том, в периодических структурах, таких как графен, импульс и энергия электрона могут принимать только определенные значения. Если эту зависимость визуализировать, то в обычном графене такой график энергии-импульса будет иметь форму двух конусов, соприкасающихся вершинами на уровне Ферми. Верхний конус — зона проводимости, нижний — валентная зона. В нормальных условиях электроны графена располагаются в валентной зоне, что характерно для полупроводника. Если электроны начинают заполнять зону проводимости, вещество становится проводником. В графене, скрученном на магический угол, образуется дополнительная плоская зона на уровне Ферми. Электроны в этой зоне могут иметь произвольное значение импульса. Физики предполагают, что именно электроны, оказавшиеся в ней, отвечают за сверхпроводимость.

Физики уже исследовали сверхпроводимость для двух- и трехслойного скрученного графена, однако этих данных недостаточно для выявления ее природы. Чтобы найти общий механизм возникновения сверхпроводимости в многолоснойном графене, ученые под руководством Стивана Надж-Перге (Stevan Nadj-Perge) из Калифорнийского технологического института изучили, как меняется проводимость в трех-, четырех- и пятислойном скрученном графене в зависимости от температуры, внешнего магнитного поля и концентрации электронов и дырок в энергетической зоне одной муаровой ячейки. Физики скручивали через один слои графена на угол, близкий к магическому.

Оказалось, что характер проводимости одинаково меняется при определенных значениях заселенности вне зависимости от числа слоев и внешних параметров. Так, переходы между сверхпроводящим и изолирующим состоянием происходили вблизи целых значений заселенности — количества электронов или дырок в одной муаровой ячейке. При этом чем больше было графеновых слоев, тем шире был интервал заселенности, в котором структура проявляла свойства сверхпроводника. Для пятислойного графена сверхпроводимость наблюдалась даже при заселенности пять электронов на ячейку, хотя в одной зоне ячейки может быть не больше четырех электронов. Это возможно, потому что часть электронов находилась в плоской зоне на уровне Ферми, а часть перепрыгивала в верхний конус Дирака. Ученые отмечают, что влияние зоны проводимости и валентной зоны на сверхпроводимость обнаружено впервые, поскольку до этого считалось, что все сверхпроводящие электроны находятся в плоской зоне.

Температура и внешнее магнитное поле также влияли на характер проводимости. С ростом температуры от 0,25 милликельвина диапазон сверхпроводимости уменьшался, а при температуре 1,25 милликельвина скрученный графен становился полупроводником. Физики связывают это с тем, что расстояние между атомами увеличивалось, и им становилось сложнее перепрыгнуть от атома к атому и соответственно перемещаться по всей структуре. С помощью внешнего магнитного поля ученые меняли диапазон сверхпроводимости, так как оно подавляло симметрию и поляризовало графен.

Дело в том, что в графеновой муаровой ячейке наблюдается особый вид симметрии: спинов и слоев. Электроны могут иметь спин + ½ и -½ и располагаться либо в нижнем, либо верхнем слое. Энергия электрона для каждого из четырех таких состояний одинакова. Поэтому электрон может быть в любом из них, но если менять концентрацию электронов в ячейке и внешнее поле, симметрия может нарушаться, то есть частицы предпочитают переходить в какое-то определенное состояние (поляризуются). В какое именно, ученые не знают, они могут лишь косвенно наблюдать нарушение симметрии. Оказалось если нарушение симметрии происходило при заселенности порядка двух электронов (дырок) на ячейку — сверхпроводимость усиливалась, а если при трех электронах (дырках) — сверхпроводимость подавлялась. Например, это происходило в четырехслойном графене с дырочной заселенностью и в пятислойном. Подобный же сценарий наблюдался и в других работах с графеном. Таким образом, можно говорить о том, что состояния с нарушенной симметрией и похожими типами поляризации, лежат в основе сверхпроводимости в скрученном графене.

Стабильная сверхпроводимость в четырех- и пятислойном графене делает привлекательным исследование многослойных систем графеновых систем как в практическом, так и теоретическом плане. Открытые в этих системах взаимосвязи между симметрией электронной структурой и сверхпроводимостью дополняют существующие работы, однако построение полной теории сверхпроводимости в графене по-прежнему остается нерешенной задачей.

Предыдущие исследования муаровых графеновых структур показали, что трехслойный муар может преодолевать предел Паули, в двухслойном можно создавать управляемые экситоны.

Илья Бения