© Ella Maru Studio
Графен не только самый прочный, самый тонкий материал из когда-либо обнаруженных, его исключительная способность проводить тепло и электричество прокладывает путь для инноваций в различных областях — от электроники до энергетики и медицины.
В настоящее время команда ученых под руководством Колумбийского университета разработала новый метод точной настройки соседних слоев графена — кружевных, похожих на соты листов атомов углерода — для создания сверхпроводимости. Их исследование дает новое понимание физики, лежащей в основе интригующих характеристик этого двумерного материала. Работа опубликована в выпуске Science от 24 января.
«Наша работа демонстрирует новые способы создания сверхпроводимости в витом двухслойном графене, в частности, достигаемые путем приложения давления», — сказал Кори Дин, доцент кафедры физики в Колумбийском университете. «Это также дает критическое первое подтверждение результатов прошлогодних исследований MIT — двухслойный графен может проявлять электронные свойства при скручивании под углом — и способствует нашему пониманию системы, что чрезвычайно важно для этой новой области исследований».
В марте 2018 года исследователи из Массачусетского технологического института сообщили о новаторском открытии, что два слоя графена могут проводить электричество без сопротивления, когда угол закручивания между ними составляет 1,1 градуса, называемого «магическим углом».
Но попасть в этот магический угол оказалось очень трудно. «Слои должны быть скручены примерно с точностью до одной десятой градуса около 1,1, что является экспериментально сложной задачей», — сказал Дин. «Мы обнаружили, что очень маленькие ошибки в выравнивании могут дать совершенно разные результаты».
Применение давления превращало материал из металла в изолятор, в котором электричество не может течь, или в сверхпроводник, где электрический ток может проходить без сопротивления, в зависимости от количества электронов в материале.
«Примечательно, что при приложении давления более 10000 атмосфер мы наблюдаем появление изолирующей и сверхпроводящей фаз», — сказал Кори Дин. Кроме того, сверхпроводимость развивается при самой высокой температуре, наблюдаемой в графене, чуть более чем на 3 градуса выше абсолютного нуля».
Чтобы достичь высоких давлений, необходимых для создания сверхпроводимости, команда тесно сотрудничала с National High Magnetic Field, известным как Maglab, в Таллахасси.
«Эти усилия были огромной технической проблемой», — сказал Кори Дин. «После изготовления одного из самых уникальных устройств, с которыми мы когда-либо работали, нам пришлось комбинировать криогенные температуры, сильные магнитные поля и высокое давление — и все это при измерении электрического отклика. Объединить все это было непростой задачей и успешность нашей работы — дань уважения фантастическому опыту в Maglab».
Исследователи полагают, что возможно еще больше повысить критическую температуру сверхпроводимости при еще более высоких давлениях. Конечная цель состоит в том, чтобы однажды разработать сверхпроводник, который мог бы работать в условиях комнатной температуры, и хотя это может оказаться проблематичным для графена, это может послужить дорожной картой для достижения этой цели в других материалах.
Работа ясно демонстрирует, что сжатие слоев имеет тот же эффект, что и их скручивание, и предлагает альтернативную парадигму для манипулирования электронными свойствами в графене. Сейчас ученые скручивают и сжимают различные атомно-тонкие материалы в надежде обнаружить сверхпроводимость, возникающую в других двумерных системах.
«Tuning superconductivity in twisted bilayer graphene» Science (2019). science.sciencemag.org/lookup/ … 1126/science.aav1910