Иллюстрация: Два немного смещенных друг относительно друга слоя графена. Источник: Wikimedia Commons. Группа специалистов из Соединенных Штатов и Японии синтезировала образец двухслойного графена, угол между слоями которого приблизился к рекордно малому значению, близкому к «магическому». Исследование его сверхпроводимости выявило расхождение с положениями теории Бардина — Купера — Шриффера (БКШ), применимой к стандартным сверхпроводникам. Согласно авторам статьи, опубликованной в журнале *Nature*, сверхпроводимость двухслойного графена обусловлена необычной геометрией волновых функций электронов и особенностями структуры электронных зон. Ранее, в 2011 году, физики-теоретики из США продемонстрировали, что при повороте одного из слоев двухслойного графена на незначительный угол, порядка одного градуса, происходит резкое изменение структуры его электронных зон. В частности, конусы Дирака, описывающие электронные зоны в неповернутом двухслойном графене, при таком смещении трансформируются, образуя плоскость, изолированную от смежных 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

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

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

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/