Автор AZoNano 19 марта 2021 г.

Новое исследование в журнале Science описывает метод, который ослабляет силу отталкивания между электронами в графеновых сверхпроводниках с «магическим углом», предоставляя физикам новые интересные подробности об этом странном состоянии материи.

В 2018 году физики показали, что происходит кое-что интересное, когда два листа наноматериала графена помещаются друг на друга. Когда один слой поворачивается на «магический угол» около 1,1 градуса по отношению к другому, система становится сверхпроводником, то есть проводит электричество с нулевым сопротивлением. Еще более захватывающим было то, что были доказательства того, что это была нетрадиционная форма сверхпроводимости – тип, который может происходить при температурах значительно выше абсолютного нуля, где функционирует большинство сверхпроводящих материалов.

С момента первого открытия исследователи работали над пониманием этого экзотического состояния материи. Теперь исследовательская группа под руководством физиков Университета Брауна нашла новый способ точно исследовать природу сверхпроводящего состояния в графене под магическим углом. Этот метод позволяет исследователям управлять силой отталкивания между выборами – кулоновским взаимодействием – в системе. В исследовании, опубликованном в журнале Science исследователи показывают, что сверхпроводимость под магическим углом становится более устойчивой, когда уменьшается кулоновское взаимодействие, что является важной информацией для понимания того, как работает этот сверхпроводник.

« Это первый раз, когда кто-либо продемонстрировал, что можно напрямую манипулировать силой кулоновского взаимодействия в сильно коррелированной электронной системе », – сказал Цзя Ли, доцент кафедры физики Брауна и автор-корреспондент. исследования. " Сверхпроводимость обусловлена ​​взаимодействиями между электронами, поэтому, когда мы можем управлять этим взаимодействием, это говорит нам кое-что действительно важное об этой системе. В этом случае демонстрация того, что более слабое кулоновское взаимодействие усиливает сверхпроводимость, дает новое важное теоретическое ограничение на это система . "

Первоначальное открытие в 2018 году потенциально нетрадиционной сверхпроводимости в графене под магическим углом вызвало значительный интерес в физическом сообществе. Графен – листы углерода толщиной в один атом – относительно простой материал. По словам Ли, если бы он действительно поддерживал нетрадиционную сверхпроводимость, простота графена сделала бы его идеальным местом для изучения того, как работает это явление.

« Нетрадиционные сверхпроводники интересны из-за их высокой температуры перехода и потенциального применения в квантовых компьютерах, электрических сетях без потерь и в других местах », – сказал Ли. " Но у нас до сих пор нет микроскопической теории того, как они работают. Вот почему все были так взволнованы, когда что-то, похожее на нетрадиционную сверхпроводимость, происходило в графене с магическим углом. Его простой химический состав и возможность настройки угла закрутки обещали более четкое изображение. "

Обычная сверхпроводимость была впервые объяснена в 1950-х годах группой физиков, в которую входил давний профессор Брауна и лауреат Нобелевской премии Леон Купер. Они показали, что электроны в сверхпроводнике искажают атомную решетку материала таким образом, что электроны образуют квантовые дуэты, называемые куперовскими парами, которые могут беспрепятственно перемещаться через этот материал. В нетрадиционных сверхпроводниках электронные пары образуются способом, который, как считается, немного отличается от механизма Купера, но ученые пока не знают, что это за механизм.

Для этого нового исследования Ли и его коллеги придумали способ использования кулоновского взаимодействия для исследования спаривания электронов в графене с магическим углом. Куперовское спаривание связывает электроны вместе на определенном расстоянии друг от друга. Это спаривание конкурирует с кулоновским взаимодействием, которое пытается раздвинуть электроны. Если бы можно было ослабить кулоновское взаимодействие, куперовские пары теоретически должны были бы стать более связанными, что сделало бы сверхпроводящее состояние более устойчивым. Это даст ключ к пониманию того, существует ли в системе механизм Купера.

Чтобы управлять кулоновским взаимодействием для этого исследования, исследователи построили устройство, которое помещает лист графена под магическим углом в непосредственной близости от другого типа графенового листа, называемого бислоем Бернала. Поскольку два слоя такие тонкие и так близко друг к другу, электроны в образце под магическим углом становятся очень слабо притянутыми к положительно заряженным областям в слое Бернала. Это притяжение между слоями эффективно ослабляет кулоновское взаимодействие, ощущаемое между электронами в образце под магическим углом, – явление, которое исследователи называют кулоновским экранированием.

Один из атрибутов слоя Бернала сделал его особенно полезным в этом исследовании. Слой Бернала можно переключать с проводника на изолятор, изменяя напряжение, приложенное перпендикулярно к слою. Эффект кулоновского экранирования возникает только тогда, когда слой Бернала находится в проводящей фазе. Таким образом, переключаясь между проводимостью и изоляцией и наблюдая соответствующие изменения сверхпроводимости, исследователи могли убедиться, что то, что они видят, было результатом кулоновского экранирования.

Работа показала, что сверхпроводящая фаза усиливается при ослаблении кулоновского взаимодействия. Температура, при которой фаза распадается, стала выше и стала более устойчивой к магнитным полям, разрушающим сверхпроводники.

« Увидеть этот кулоновский эффект в этом материале было немного удивительно », – сказал Ли. « Мы ожидаем увидеть это в обычном сверхпроводнике, но есть много свидетельств того, что графен с магическим углом является нетрадиционным сверхпроводником. Так что любая микроскопическая теория этой сверхпроводящей фазы должна будет учитывать эту информацию . "

Ли сказал, что результаты являются заслугой Сяосюэ Лю, постдокторанта из Брауна и ведущего автора исследования, который построил устройство, которое сделало эти выводы возможными.

« Никто никогда не строил ничего подобного до », – сказал Ли. « Все должно было быть невероятно точным вплоть до нанометрового масштаба, от угла закрутки графена до расстояния между слоями. Xiaoxue действительно проделал потрясающую работу. Мы также извлекли пользу из теоретического руководства Оскара Вафека, физика-теоретика из Университета штата Флорида . "

Хотя это исследование дает важную новую информацию о графене с магическим углом, есть гораздо больше, что может раскрыть этот метод. Например, это первое исследование рассматривало только одну часть фазового пространства сверхпроводимости под магическим углом. Возможно, говорит Ли, поведение сверхпроводящей фазы различается в разных частях фазового пространства, и дальнейшие исследования раскроют это.

«Возможность экранировать кулоновское взаимодействие дает нам новую экспериментальную ручку, которую можно повернуть, чтобы помочь понять эти квантовые явления», – сказал Ли. «Этот метод можно использовать с любым двухмерным материалом, поэтому я думаю, что этот метод будет полезен при разработке новых типов материалов».

Другими авторами исследования были Чжи Ван, К. Ватанабэ и Т. Танигучи. Исследование было поддержано Брауновским университетом и его Институтом молекулярных и наномасштабных инноваций.

Источник: https://www.brown.edu/