Физики обнаружили удивительное взаимодействие электронов в графене с магическим углом

В 2018 году физики показали, что происходит нечто интересное, когда два листа наноматериала графена помещаются друг на друга. Когда один слой поворачивается на «магический угол» около 1,1 градуса по отношению к другому, система становится сверхпроводником, то есть проводит электричество с нулевым сопротивлением.

Еще более захватывающим было доказательство того, что это была нетрадиционная форма сверхпроводимости — тип, который может происходить при температурах значительно выше абсолютного нуля, где функционирует большинство сверхпроводящих материалов.

С момента первого открытия ученые работали над тем, чтобы понять это экзотическое состояние материи. Теперь исследовательская группа во главе с физиками Университета Брауна нашла новый способ точно исследовать природу сверхпроводящего состояния в графене с магическим углом. Этот метод позволяет исследователям манипулировать силой отталкивания между зарядами — кулоновским взаимодействием — в системе.

В исследовании, опубликованном в журнале Science, физики показывают, что сверхпроводимость магического угла становится более устойчивой, когда кулоновское взаимодействие уменьшается, что является важной частью информации для понимания того, как работает этот сверхпроводник.

«Это первый случай, когда кто-то продемонстрировал, что вы можете напрямую манипулировать силой кулоновского взаимодействия в сильно коррелированной электронной системе», — сказал Цзя Ли, доцент физики в Брауне и автор исследования. «Сверхпроводимость обусловлена взаимодействиями между электронами, поэтому, когда мы можем управлять этим взаимодействием, это говорит нам что-то действительно важное об этой системе. В этом случае демонстрация того, что более слабое кулоновское взаимодействие усиливает сверхпроводимость, дает важное новое теоретическое ограничение для этой системы.»

Оригинальное открытие в 2018 году потенциально нетрадиционной сверхпроводимости в графене с магическим углом вызвало значительный интерес в физическом сообществе. Графен — лист углерода толщиной в один атом  -относительно простой материал. Если бы он действительно поддерживал нетрадиционную сверхпроводимость, простота графена сделала бы его идеальным местом для изучения того, как работает это явление.

«Нетрадиционные сверхпроводники являются захватывающими из-за их высокой температуры перехода и потенциальных применений в квантовых компьютерах, электрических сетях без потерь и в других местах», — сказал Ли. — Но у нас все еще нет микроскопической теории того, как они работают. Вот почему все были так взволнованы, когда что-то похожее на необычную сверхпроводимость происходило в графене с магическим углом. Его простой химический состав и настраиваемость в угле поворота обещают более четкую картину.»

Обычная сверхпроводимость была впервые объяснена в 1950-х годах группой физиков, в которую входил лауреат Нобелевской премии Леон Купер, профессор университета Брауна. Они показали, что электроны в сверхпроводнике искажают атомную решетку материала таким образом, что электроны образуют квантовые двойники, называемые куперовскими парами, которые способны беспрепятственно перемещаться через этот материал. В нетрадиционных сверхпроводниках электронные пары формируются способом, который, как считается, немного отличается от механизма Купера, но ученые пока не знают, что это за механизм.

Для этого нового исследования Ли и его коллеги придумали способ использовать кулоновское взаимодействие для исследования спаривания электронов в графене с магическим углом. Куперовское спаривание связывает электроны на определенном расстоянии друг от друга. Это спаривание конкурирует с кулоновским взаимодействием, которое пытается раздвинуть электроны. Если бы можно было ослабить кулоновское взаимодействие, куперовские пары теоретически должны были бы стать более прочно связанными, что сделало бы сверхпроводящее состояние более прочным. Это дало бы ключ к пониманию того, происходит ли в системе механизм Купера.

Чтобы манипулировать кулоновским взаимодействием для этого исследования, ученые построили устройство, которое помещает лист графена с магическим углом очень близко к другому типу графенового листа, называемому бислоем Берналя. Из-за того, что эти два слоя настолько тонки и настолько близки друг к другу, электроны в образце с магическим углом притягиваются к положительно заряженным областям в слое Берналя. Это притяжение между слоями эффективно ослабляет кулоновское взаимодействие, ощущаемое между электронами внутри образца с магическим углом, явление, которое исследователи называют кулоновским экранированием.

Один из атрибутов слоя Берналя сделал его особенно полезным в этом исследовании. Слой Берналя можно переключить между проводником и изолятором, изменив напряжение, приложенное перпендикулярно слою. Эффект кулоновского экранирования возникает только тогда, когда слой Берналя находится в проводящей фазе. Таким образом, переключаясь между проводимостью и изоляцией и наблюдая соответствующие изменения в сверхпроводимости, исследователи могли убедиться, что то, что они видели, было вызвано кулоновским экранированием.

Работа показала, что сверхпроводящая фаза становится сильнее при ослаблении кулоновского взаимодействия. Температура, при которой фаза распадалась, становилась выше и была более устойчивой к магнитным полям, разрушающим сверхпроводники.

«Увидеть этот эффект Кулона в этом материале было немного удивительно», — сказал Ли. «Мы ожидали, что это произойдет в обычном сверхпроводнике, но есть много доказательств того, что графен с магическим углом является нетрадиционным сверхпроводником. Поэтому любая теория этой сверхпроводящей фазы должна будет учитывать эту информацию.»

В то время как это исследование дает критическую новую информацию о графене с магическим углом, есть гораздо больше, что может раскрыть эта техника. Например, в этом исследовании рассматривалась только одна часть фазового пространства для сверхпроводимости с магическим углом. Возможно, говорит Ли, что поведение сверхпроводящей фазы изменяется в разных частях фазового пространства, и дальнейшие исследования откроют это.

«Способность экранировать кулоновское взаимодействие дает нам новую экспериментальную возможность, чтобы помочь понять эти квантовые явления», — сказал Ли. «Этот метод может быть использован с любым двумерным материалом, поэтому я думаю, что этот метод будет полезен при разработке новых типов материалов.»