Иллюстрация: Два смещенных друг относительно друга слоя графена. Источник: Wikimedia Commons. Физики из США и Японии получили образец двухслойного графена, угол между слоями которого оказался рекордно близок к магическому. Исследования его сверхпроводимости показали, что она не согласуется с представлениями теории Бардина — Купера — Шриффера (БКШ) для традиционных сверхпроводников. Авторы статьи в Nature утверждают, что за сверхпроводимостью двухслойного графена стоит необычная геометрия волновых функций электронов и структура электронных зон. В 2011 году физики-теоретики из США показали, что если взять двухслойный графен, и повернуть один из слоев на небольшой угол около одного градуса, то структура его электронных зон резко меняется. Конусы Дирака (которыми можно описать электронные зоны в неповернутом двухслойном графене) при таком повороте как бы схлопываются, образуя плоскость, отделенную от соседних зон.
Трансформации электронной структуры двухслойного графена при уменьшении угла поворота слоев. При угле в 1,1 градуса на уровне Ферми образуется плоская зона. Yuan Сao et al./ Nature, 2018
Тогда угол в 1,1 градуса стали называть магическим, а ученые начали находить необычные свойства у такого немного смещенного двухслойного графена. Эти поиски привели к тому, что в 2018 году физики из США под руководством Пабло Харильо-Эрреро (Pablo Jarillo-Herrero) выяснили, что если охладить повернутый на магический угол двухслойный графен до температуры, близкой к абсолютному нулю, он становится сверхпроводником. И уже тогда ученые заметили, что сверхпроводимость двухслойного графена не похожа на обычную сверхпроводимость, которую принято описывать теорией БКШ.
Это же показали и физики под руководством Марка Бократа (Marc Bockrath) из Университета штата Огайо. Они получили образец двухслойного графена с углом поворота в 1,08 градуса с помощью осаждения графеновых хлопьев на кремниевую подложку, а затем исследовали его проводимость. Ученые выяснили, что скорость Ферми (она соответствует энергии Ферми) переносчиков заряда в их образце равна примерно 1000 метров в секунду – то есть, на три порядка меньше, чем в обычном графене, и меньше, чем в образцах двухслойного графена, изученных другими учеными. Такую низкую скорость переносчиков заряда авторы статьи связали с тем, что в их образце угол поворота между слоями оказался максимально близок к магическому.
Далее физики попробовали обсчитать полученные данные с помощью теории БКШ. Так, рассчитанная критическая температура, при которой сопротивление сверхпроводника возрастает до значения в 20 процентов от сопротивления в несверхпроводящем состоянии, составила около 0,05 Кельвина. При этом экспериментальное значение, полученное авторами, составляло 2,2 Кельвина. Значения нескольких других параметров, например, длины когерентности сверхпроводника, также не совпали с экспериментальными. Так ученые убедились, что теория БКШ не справляется с описанием сверхпроводимости в двухслойном графене. И хотя ранее другие группы физиков уже высказывали аналогичное мнение, доказательство, основанное на изучении образца двухслойного графена с более близким к магическому углом поворота, внесло дополнительную ясность.
e) Рассчитанные скорости Ферми для образцов двухслойного графена. Голубым цветом отмечены значения, полученные американскими физиками. f) Зависимость сопротивления графена от температуры. При понижении температуры сопротивление резко падает. Haidong Tian et al. / Nature, 2023
Далее ученые попробовали оценить критическую плотность тока в сверхпроводнике, предположив, что она ограничена в первую очередь очень низкой скоростью переносчиков заряда, характерной именно для двухслойного графена, а не условием распаривания (оно работает в традиционных сверхпроводниках). Полученные в результате такого расчета критическая плотность тока и сверхтекучая жесткость намного лучше совпали с экспериментом. Поэтому физики сделали вывод, что сверхпроводимость двухслойного графена объясняется необычной структурой его электронных зон и волновых функций, которая приводит к очень низкой скорости переносчиков заряда, нехарактерной для обычных сверхпроводников.
График зависимости свертекучей жесткости от плотности переносчиков заряда. Красным цветом показана экспериментально полученная зависимость, черным — предсказанная для традиционного сверхпроводника, а зеленым — рассчитанная американскими физиками с учетом особенностей двухслойного графена. Haidong Tian et al. / Nature, 2023
Так авторы статьи попробовали теоретически описать сверхпроводимость в двухслойном графене. В статье они утверждают, что их описание очень далеко от полного, и теория сверхпроводимости графена будет развиваться дальше.
Автор: Михаил Бойм
Источник: https://nplus1.ru/
