Графит, известный большинству как стержень карандаша, стал ключевым материалом в исследовании одного из самых интригующих явлений в физике — сверхпроводимости. Этот феномен, при котором электрический ток течет через материал без какого-либо сопротивления и потерь энергии, может революционизировать энергетические сети и вычислительные технологии. Однако большинство сверхпроводников работают только при крайне низких температурах, что ограничивает их практическое применение.
Недавно в журнале Nature была опубликована работа, которая может приблизить нас к пониманию механизмов необычной сверхпроводимости. Исследование проведено международной группой ученых, включая Павла Волкова (профессора физического факультета Университета Коннектикута), а также исследователей под руководством Филипа Кима (Гарвардский университет) и К. С. Фонга (Raytheon BBN Technologies). Среди соавторов также Абхишек Баннерджи, Зею Хао, Мэри Крайдел, Патрик Ледвит и Ашвин Вишванат.
В 2018 году внимание ученых привлекла сверхпроводимость в многослойном графене. Графен сам по себе представляет собой одиночный слой атомов углерода и не является сверхпроводником. Однако когда два слоя графена укладываются друг на друга с небольшим углом поворота (так называемый перекрученный двухслойный графен или TBG), или когда аналогичным образом укладываются три слоя (перекрученный трехслойный графен или TTG), материал приобретает совершенно новые свойства.
При определенном «магическом» угле поворота движение электронов в графене значительно замедляется из-за квантовой интерференции. Это замедление приводит к усилению взаимодействия между электронами, что потенциально вызывает сверхпроводимость. TTG оказался более стабильной и надежной системой для исследований по сравнению с TBG, демонстрируя сильные электрон-электронные взаимодействия, подобные купратам — высокотемпературным сверхпроводникам, механизм работы которых до сих пор полностью не понят.
Классическая теория сверхпроводимости БКШ (Бардина, Купера и Шриффера), разработанная в 1957 году, объясняет поведение многих «обычных» сверхпроводников. Согласно этой теории, электроны формируют «куперовские пары» благодаря взаимодействию с колебаниями кристаллической решетки. Однако купраты, перекрученные графеновые системы и некоторые другие материалы не вписываются в рамки этой теории, что делает их «необычными» сверхпроводниками.
Купраты могут становиться сверхпроводящими при температурах около -200°F, что считается относительно высокой температурой для сверхпроводников. TTG, напротив, переходит в сверхпроводящее состояние только при температурах ниже примерно -450°F. Несмотря на огромную разницу в температурах, эти системы объединяет наличие сильных электрон-электронных взаимодействий.
TTG представляет собой идеальную систему для изучения необычной сверхпроводимости, поскольку она «чище» и легче контролируется по сравнению со сложной химией купратов. Исследователи могут более прямолинейно настраивать параметры, такие как угол поворота и плотность электронов. Предыдущие исследования графена часто фокусировались на свойствах отдельных электронов, а не на прямом изучении электронных пар, что ограничивало понимание механизмов сверхпроводимости.
Баннерджи, Хао и Крайдел из групп Филипа Кима и К. С. Фонга разработали специальные электрические схемы для изучения индуктивности в TTG, измеряя, как электронные пары ускоряются под воздействием приложенных полей. Их эксперименты привели к удивительному открытию: в отличие от предсказаний теории БКШ, где куперовские пары демонстрируют изотропное поведение (одинаковое во всех направлениях), в TTG наблюдается сильно анизотропное спаривание — электронные пары ведут себя по-разному в разных направлениях.
Анизотропия подтверждается как температурной зависимостью (даже небольшое изменение температуры может легко разрушить пары вдоль «слабых» направлений), так и зависимостью от тока. Павел Волков, Патрик Ледвит и Ашвин Вишванат разработали теоретическую модель для интерпретации данных по индуктивности, которая показывает, как поведение отдельных электронов в TTG связано со свойствами куперовских пар. Удивительно, но добавление большего количества электронов не приводит к прямолинейному увеличению числа куперовских пар.
Наблюдаемые свойства TTG напоминают купратные сверхпроводники, что указывает на потенциальный универсальный принцип, лежащий в основе необычной сверхпроводимости. Теория БКШ оказывается неполной для этих материалов, и необходима новая теоретическая основа, объясняющая, как системы с сильно взаимодействующими электронами могут становиться сверхпроводящими при различных температурах.
Сильная анизотропия в спаривании TTG усиливает параллели с высокотемпературными купратами. Поскольку параметры TTG легко настраиваются, эта система может помочь исследователям открыть универсальные принципы необычной сверхпроводимости. В конечном итоге, понимание этих принципов может привести к разработке новых сверхпроводников для практического применения, что откроет путь к более эффективным энергетическим системам и мощным компьютерам будущего.
Изображение носит иллюстративный характер
Недавно в журнале Nature была опубликована работа, которая может приблизить нас к пониманию механизмов необычной сверхпроводимости. Исследование проведено международной группой ученых, включая Павла Волкова (профессора физического факультета Университета Коннектикута), а также исследователей под руководством Филипа Кима (Гарвардский университет) и К. С. Фонга (Raytheon BBN Technologies). Среди соавторов также Абхишек Баннерджи, Зею Хао, Мэри Крайдел, Патрик Ледвит и Ашвин Вишванат.
В 2018 году внимание ученых привлекла сверхпроводимость в многослойном графене. Графен сам по себе представляет собой одиночный слой атомов углерода и не является сверхпроводником. Однако когда два слоя графена укладываются друг на друга с небольшим углом поворота (так называемый перекрученный двухслойный графен или TBG), или когда аналогичным образом укладываются три слоя (перекрученный трехслойный графен или TTG), материал приобретает совершенно новые свойства.
При определенном «магическом» угле поворота движение электронов в графене значительно замедляется из-за квантовой интерференции. Это замедление приводит к усилению взаимодействия между электронами, что потенциально вызывает сверхпроводимость. TTG оказался более стабильной и надежной системой для исследований по сравнению с TBG, демонстрируя сильные электрон-электронные взаимодействия, подобные купратам — высокотемпературным сверхпроводникам, механизм работы которых до сих пор полностью не понят.
Классическая теория сверхпроводимости БКШ (Бардина, Купера и Шриффера), разработанная в 1957 году, объясняет поведение многих «обычных» сверхпроводников. Согласно этой теории, электроны формируют «куперовские пары» благодаря взаимодействию с колебаниями кристаллической решетки. Однако купраты, перекрученные графеновые системы и некоторые другие материалы не вписываются в рамки этой теории, что делает их «необычными» сверхпроводниками.
Купраты могут становиться сверхпроводящими при температурах около -200°F, что считается относительно высокой температурой для сверхпроводников. TTG, напротив, переходит в сверхпроводящее состояние только при температурах ниже примерно -450°F. Несмотря на огромную разницу в температурах, эти системы объединяет наличие сильных электрон-электронных взаимодействий.
TTG представляет собой идеальную систему для изучения необычной сверхпроводимости, поскольку она «чище» и легче контролируется по сравнению со сложной химией купратов. Исследователи могут более прямолинейно настраивать параметры, такие как угол поворота и плотность электронов. Предыдущие исследования графена часто фокусировались на свойствах отдельных электронов, а не на прямом изучении электронных пар, что ограничивало понимание механизмов сверхпроводимости.
Баннерджи, Хао и Крайдел из групп Филипа Кима и К. С. Фонга разработали специальные электрические схемы для изучения индуктивности в TTG, измеряя, как электронные пары ускоряются под воздействием приложенных полей. Их эксперименты привели к удивительному открытию: в отличие от предсказаний теории БКШ, где куперовские пары демонстрируют изотропное поведение (одинаковое во всех направлениях), в TTG наблюдается сильно анизотропное спаривание — электронные пары ведут себя по-разному в разных направлениях.
Анизотропия подтверждается как температурной зависимостью (даже небольшое изменение температуры может легко разрушить пары вдоль «слабых» направлений), так и зависимостью от тока. Павел Волков, Патрик Ледвит и Ашвин Вишванат разработали теоретическую модель для интерпретации данных по индуктивности, которая показывает, как поведение отдельных электронов в TTG связано со свойствами куперовских пар. Удивительно, но добавление большего количества электронов не приводит к прямолинейному увеличению числа куперовских пар.
Наблюдаемые свойства TTG напоминают купратные сверхпроводники, что указывает на потенциальный универсальный принцип, лежащий в основе необычной сверхпроводимости. Теория БКШ оказывается неполной для этих материалов, и необходима новая теоретическая основа, объясняющая, как системы с сильно взаимодействующими электронами могут становиться сверхпроводящими при различных температурах.
Сильная анизотропия в спаривании TTG усиливает параллели с высокотемпературными купратами. Поскольку параметры TTG легко настраиваются, эта система может помочь исследователям открыть универсальные принципы необычной сверхпроводимости. В конечном итоге, понимание этих принципов может привести к разработке новых сверхпроводников для практического применения, что откроет путь к более эффективным энергетическим системам и мощным компьютерам будущего.
