Физики из Массачусетского технологического института (MIT) совершили прорывное открытие, которое бросает вызов устоявшимся представлениям о несовместимости сверхпроводимости и магнетизма. В статье, опубликованной в журнале Nature, они сообщают о наблюдении хирального сверхпроводника — материала, который не только проводит электричество без сопротивления, но и обладает внутренним магнетизмом. Удивительно, что этот экзотический эффект был обнаружен в графите — материале, широко используемом в обычных карандашах, который состоит из множества слоев графена.
Сверхпроводимость и магнетизм: парадоксальное сочетание
Сверхпроводимость — это явление, при котором материал при охлаждении до критически низких температур теряет электрическое сопротивление, позволяя электрическому току течь без потерь энергии. Одним из ключевых свойств сверхпроводников является эффект Мейсснера, заключающийся в выталкивании внешнего магнитного поля. Считалось, что магнетизм и сверхпроводимость взаимоисключают друг друга, поскольку магнитные поля разрушают куперовские пары электронов, ответственные за сверхпроводимость.
Однако команда MIT обнаружила, что в ромбоэдрическом графене (особой конфигурации слоев графена) при температуре около 300 милликельвинов (-273 °C) возникает сверхпроводимость, которая не подавляется магнитным полем, а, напротив, демонстрирует магнитоподобное поведение.
Эксперимент и ключевые наблюдения
Исследователи изучали микроскопические чешуйки ромбоэдрического графена, выделенные из обычного графита. В такой структуре 4–5 слоев графена уложены в виде «лестницы» со смещением, что придает материалу необычные электронные свойства.
- Сверхпроводимость при сверхнизких температурах:
При охлаждении до 300 милликельвинов материал переходил в сверхпроводящее состояние, демонстрируя нулевое сопротивление. - Магнитное переключение:
При воздействии внешнего магнитного поля материал переключался между двумя сверхпроводящими состояниями, что указывало на наличие внутреннего магнетизма. В отличие от обычных сверхпроводников, которые просто теряют сверхпроводимость при критическом поле, этот материал сохранял сверхпроводимость, но менял её состояние в зависимости от направления поля. - Хиральность и орбитальный магнетизм:
Ученые предположили, что электроны в этом материале объединяются в куперовские пары с ненулевым суммарным импульсом, что приводит к возникновению орбитального магнетизма. Это объясняет, почему сверхпроводник ведет себя как магнит.
Теоретическое объяснение и значение открытия
Обычно в сверхпроводниках электроны образуют пары с противоположными импульсами, что приводит к нулевому суммарному магнитному моменту. Однако в ромбоэдрическом графене все электроны могут занимать одну и ту же «долину» импульса, создавая коллективное вращение. Это делает материал хиральным сверхпроводником, где сверхпроводимость и магнетизм сосуществуют.
Это открытие имеет несколько важных последствий:
- Новый класс сверхпроводников: Хиральные сверхпроводники могут обладать топологическими свойствами, полезными для квантовых вычислений.
- Фундаментальная физика: Оно бросает вызов традиционным теориям, предполагающим несовместимость магнетизма и сверхпроводимости.
- Практические применения: Если удастся стабилизировать этот эффект при более высоких температурах, это может привести к созданию новых типов электронных устройств.
Открытие MIT показывает, что даже в хорошо изученных материалах, таких как графит, могут скрываться неожиданные физические явления. Ромбоэдрический графен оказался уникальной платформой для изучения экзотических состояний материи, сочетающих сверхпроводимость и магнетизм. Это исследование открывает новые горизонты в физике конденсированного состояния и может привести к революционным технологическим прорывам в будущем.