Вчені з США і Японії вперше виготовили надпровідник, що складається виключно з атомів вуглецю. Для цього вони охолодили двошаровий графен до температури близько декількох кельвінів і повернули його верхній шар на «магічний кут». Стаття опублікована в.
Більшість металів при досить сильному охолодженні переходить у надпровідний стан - їх електричний опір падає до нуля, а магнітне поле витісняється з обсягу. Подібну поведінку можна пояснити в рамках нобелівської теорії Бардіна-Купера-Шріффера (БКШ), в якій електрони обмінюються фононами, зв'язуються в пари і утворюють конденсат Бозе - Ейнштейна. Детальніше про різні механізми надпровідності можна прочитати в нашому матеріалі «Нижче критичної температури».
На жаль, теорія БКШ працює тільки для досить низьких температур, що не перевищують декількох десятків кельвінів. З іншого боку, в середині вісімдесятих років минулого століття було відкрито явище високотемпáної надпровідності, що зберігається до температур близько 100-150 кельвінів. В даний час фізикам відомо досить багато високотемп... надпровідників, які не описуються ні теорією БКШ, ні її розширеннями. Такі надпровідники називають нетрадиційними (unconventional superconductivity). На даний момент єдина теорія нетрадиційної надпровідності ще не побудована. Це заважає вченим розробити надпровідники, які будуть працювати при кімнатній температурі, і змушує їх шукати нові підходи.
У цій статті група вчених під керівництвом Пабло Харільо-Ерреро (Pablo Jarillo-Herrero) описує експериментальне спостереження нетрадиційної надпровідності в двошаровому графені, шари якого зрушені на невеликий «магічний кут» («magic» an^ twisted bilayer graphene, MA-TBG). «Магічний кут» - це кут, при якому швидкість Фермі в матеріалі падає до нуля, в двошаровому графені перший «магічний кут» близький до 1,1 градуса. За своїми властивостями система нагадує добре вивчені купрати (яким належав попередній рекорд надпровідності близько 160 кельвінів), проте щільність носіїв заряду (куперівських пар) в ній приблизно на порядок нижче, ніж у типових почесних надпровідниках, і становить приблизно 1011 частинок на квадратний сантиметр. У той же час, максимальна критична температура для досліджуваного зразка досягає 1,7 кельвінів.
Щоб виготовити експериментальний зразок, вчені облагали графенові пластівці на кремнієву підкладку, вибирали з них найбільш якісні, а потім накладали на них тонкий шар гексагонального нітриду бору. Потім вчені піднімали шар нітрида бору за допомогою установки мікропозиціонування. Завдяки силі Ван-дер-Ваальса графен «приклеювався» до нітриду бору, і це дозволяло розірвати графен на два тонких шари і повернути їх один відносно одного на невеликий кут порядку одного градуса, а потім скріпити заново. Потім MA-TBG, який вийшов, вчені охолоджували до низьких температур і прикріплювали до нього золоті електроди, щоб виміряти його опір. Крім того, вчені виміряли фазову діаграму нетрадиційної надпровідності і побачили квантові осциляції.
В результаті вчені з'ясували, що при певній щільності вільних носіїв заряду (керувати нею можна, прикладаючи напругу до нижнього електроду) MA-TBG переходить у надпровідний стан, причому критична температура становить приблизно 1,7 кельвінів, а критичне магнітне поле - близько 0,05 Тесла. При відхиленні кута повороту від «магічного» значення надпровідні властивості матеріалу погіршувалися. Більш того, при певних значеннях параметрів MA-TBG виявляв властивості Моттовського ізолятора, і його опір виростав до величини близько десяти кілоом. Також варто відзначити, що щільність носіїв заряду, при якій настає надпровідність, приблизно на порядок нижче, ніж в інших нетрадиційних надпровідниках.
Цікаво, що ставлення критичної температури Tc до температури Фермі TF в MA-TBG приблизно дорівнює Tc/TF ауд 0,1 і порівнянно з відносинами для інших нетрадиційних надпровідників, в той час як для надпровідників, описуваних теорією БКШ, це відношення приймає набагато менші значення. Крім того, критична температура MA-TBG становить близько 0,37 від температури TBEC, при якій всі носії заряду зв'язуються в пари і утворюють конденсат Бозе - Ейнштейна. Це вказує на дуже сильний зв'язок між електронами в двошаровому графені.
Автори статті зазначають, що досліджена ними система дуже легко налаштовується, і їх результати можуть бути в подальшому легко поліпшені. Наприклад, при додатку великого зовнішнього тиску гібридизація між двома шарами посилиться, що може призвести до збільшення критичної температури.
Наразі температурний рекорд надпровідності належить сірководню. При нормальних умовах ця речовина є звичайним газом, однак при тиску близько 160 гігапаскаль і температурі понад 200 кельвінів (‑ 70 градусів цельсія) переходить у надпровідний стан.