В 2018 году мир физики был потрясен открытием, что когда ультратонкий слой углерода, называемый графен, складывается и скручивается до «магического угла», эта новая двухслойная структура превращается в сверхпроводник, позволяя электричеству течь без сопротивления или траты энергии. Теперь, в буквальном смысле слова, гарвардские ученые расширили эту сверхпроводящую систему, добавив третий слой и повернув его, открыв дверь для дальнейшего развития сверхпроводимости на основе графена.

Работа описана в новой статье в Science, и однажды она может помочь создать сверхпроводники, работающие при более высоких или даже близких к комнатной температуре. Эти сверхпроводники считаются святым Граалем физики конденсированного состояния, поскольку они позволят совершить колоссальные технологические революции во многих областях, включая передачу электроэнергии, транспорт и квантовые вычисления. Большинство сверхпроводников сегодня, включая двухслойную структуру графена, работают только при ультрахолодных температурах.

«Сверхпроводимость в скрученном графене предоставляет физикам экспериментально управляемую и теоретически доступную модельную систему, в которой они могут играть со свойствами системы, чтобы расшифровать секреты высокотемпературной сверхпроводимости», — сказал один из соавторов статьи Эндрю Циммерман, доктор наук, научный сотрудник. работает в лаборатории Гарвардского физика Филипа Кима.

Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, который в 200 раз прочнее стали, но при этом чрезвычайно гибок и легче бумаги. Почти всегда было известно, что он хорошо проводит тепло и электрический ток, но, как известно, с ним трудно обращаться. Эксперименты, раскрывающие загадку скрученного двухслойного графена, продолжаются с тех пор, как физик из Массачусетского технологического института Пабло Харилло-Эрреро и его группа первыми открыли новую область «твистроники» в своем эксперименте в 2018 году, в котором они создали графеновый сверхпроводник, повернув его на магический угол 1,1 градуса.

Ученые из Гарварда сообщают об успешной укладке трех листов графена и последующем скручивании каждого из них под этим магическим углом, чтобы получить трехслойную структуру, которая не только способна к сверхпроводимости, но и делает это более надежно и при более высоких температурах, чем многие из двухслойных листов графена. Новая улучшенная система также чувствительна к приложенному извне электрическому полю, что позволяет им настраивать уровень сверхпроводимости, регулируя напряженность этого поля.

«Это позволило нам наблюдать сверхпроводник в новом измерении и дало нам важные подсказки о механизме, который управляет сверхпроводимостью», — сказал другой ведущий автор исследования Зею Хао, доктор философии, студент Высшей школы искусств и наук, также работает в Kim Group.

Один из этих механизмов действительно взволновал теоретиков. Трехслойная система показала доказательство того, что ее сверхпроводимость обусловлена ​​сильными взаимодействиями между электронами, а не слабыми. Если это правда, это может не только открыть путь к высокотемпературной сверхпроводимости, но и может помочь в применении квантовых вычислений.

«В большинстве обычных сверхпроводников электроны движутся с высокой скоростью, а иногда пересекаются и влияют друг на друга. В этом случае мы говорим, что их эффекты взаимодействия слабые», — сказал Эслам Халаф, соавтор исследования и научный сотрудник, работающий в лаборатории профессора физики Гарварда Эшвина Вишваната. «В то время как слабо взаимодействующие сверхпроводники хрупки и теряют сверхпроводимость при нагревании до нескольких градусов Кельвина, сверхпроводники с сильной связью гораздо более эластичны, но гораздо менее изучены. Реализация сверхпроводимости с сильной связью в простой и настраиваемой системе, такой как трехслойная, может проложить путь к окончательному теоретическому пониманию сильносвязанных сверхпроводников, чтобы помочь реализовать цель высокотемпературного, возможно, даже комнатной температуры, сверхпроводника».

Исследователи планируют продолжить изучение природы этой необычной сверхпроводимости в дальнейших исследованиях. «Чем больше мы поймем, тем больше у нас будет шансов повысить температуру сверхпроводящего перехода», — сказал Ким.