Фізики з Массачусетського технологічного інституту помітили ознаки рідкісного типу надпровідності у матеріалі, який називається “магічним кутом” скрученого тришарового графена. Кредит: надано Пабло Ярілло-Ерреро, Юань Цао, Парк Чонг Мін та ін.
Нові висновки можуть допомогти розробити більш потужні апарати для МРТ або потужні квантові комп’ютери.
Фізики з Массачусетського технологічного інституту помітили ознаки рідкісного типу надпровідності у матеріалі, який називається тривимірним графеном із крученим магічним кутом. У дослідженні, яке з’явилося в природиДослідники повідомляють, що матеріал проявляє надпровідність у дивно високих магнітних полях до 10 Тесла, що втричі перевищує те, що матеріал повинен був би витримати, якби це був звичайний надпровідник.
Результати наполегливо припускають, що магічний тришаровий графен, який спочатку був відкритий тією ж групою, є дуже рідкісним типом надпровідника, відомим як “спін-триплет”, непроникним для високих магнітних полів. Такі екзотичні надпровідники можуть значно вдосконалити такі методи, як магнітно-резонансна томографія, яка використовує надпровідні дроти під магнітним полем для резонансу з біологічними тканинами та їх зображення. В даний час апарати МРТ обмежені магнітними полями від 1 до 3 Тесла. Якби їх можна було побудувати за допомогою потрійних спінових надпровідників, МРТ міг би діяти під вищими магнітними полями, щоб отримати чіткіші та глибші зображення людського тіла.
Нові докази потрійної спінової надпровідності в тришаровому графені можуть також допомогти вченим розробити більш потужні надпровідники для практичних квантових обчислень.
«Цінність цього експерименту полягає в тому, що він вчить нас про базову надпровідність, і про те, як можуть поводитися матеріали, так що з отриманими уроками ми можемо спробувати розробити принципи для інших матеріалів, які легше виготовити, і, можливо, це дасть вам кращу надпровідність “, – говорить Пабло Ярілло Ерреро, професор-фізик Сесіл та Іда Грін з Массачусетського технологічного інституту.
Його співавторами у роботі є докторант Юано Као та аспірант Чонг Мін Парк з Массачусетського технологічного інституту, Кендзі Ватанабе та Такасі Танігучі з Національного інституту матеріалознавства в Японії.
дивна трансформація
Надпровідні матеріали визначаються їх високоефективною здатністю проводити електрику без втрат енергії. Під впливом електричного струму електрони у надпровіднику з’єднуються в «бондерські пари», які потім рухаються крізь матеріал без опору, як пасажири швидкого поїзда.
У переважній більшості надпровідників ці пари пасажирів мають протилежний спін, причому один електрон обертається вгору, а інший вниз – конфігурація, відома як “спіновий сингуляр”. Ці пари прискорюються надпровідником, за винятком високих магнітних полів, які можуть зміщувати енергію кожного електрона в протилежні сторони, відокремлюючи пару між собою. Таким чином, за допомогою механізмів, високі магнітні поля можуть порушити надпровідність у звичайних спінових надпровідниках.
“Це остаточна причина, чому надпровідність зникає в досить великому магнітному полі”, – говорить Парк.
Але є кілька дивних надпровідників, на які не впливають магнітні поля, навіть дуже великі сили. Ці матеріали надпровідні через пари електронів, що мають однаковий спін – властивість, відома як “потрійний спін”. Під впливом високих магнітних полів енергія обох електронів у парі Купера зміщується в одному напрямку таким чином, що вони не відокремлюються один від одного, а продовжують надпровід без порушення, незалежно від сили магнітного поля.
Групу Ярілло-Ерреро цікавило, чи може тришаровий графен з магічним кутом мати підказки про незвичайну потрійну спінову надпровідність. Команда провела новаторські роботи з вивчення графенових муарових структур – шарів тонких атомних вуглецевих решіток, які, складені під певними кутами, можуть призвести до дивовижної електронної поведінки.
Спочатку дослідники повідомили про такі своєрідні властивості у двох кутових аркушах графена, які вони назвали магічним двошаровим графеном. Незабаром вони пройшли випробування тришарового графену – утворення сендвічів із трьох листів графену, який виявився сильнішим за його двошаровий аналог, зберігаючи при цьому свою надпровідність при більш високих температурах. Коли дослідники застосували помірне магнітне поле, вони помітили, що тришаровий графен здатний надпроводити з напруженістю поля, яка руйнує надпровідність двошарового графена.
“Ми вважали, що це дуже дивна річ”, – говорить Яріло Ерреро.
чудесне повернення
У своєму новому дослідженні фізики перевірили надпровідність тришарового графена в умовах дедалі більш високих магнітних полів. Вони виготовили матеріал, відшарувавши тонкі шари вуглецю з графітового блоку, склавши три шари разом, і повернувши середній шар на 1,56 градусів щодо зовнішніх шарів. Вони прикріпили електрод до будь-якого кінця матеріалу, щоб пропустити через нього струм і виміряти будь-яку втрачену в процесі енергію. Потім у лабораторії вони ввімкнули великий магніт із полем, яке вони спрямовували паралельно матеріалу.
Коли вони збільшили магнітне поле навколо тришарового графену, вони помітили, що надпровідність досить сильно трималася перед тим, як зникнути, але потім інтригуюче з’явилася при вищій напруженості поля – дуже незвичне відродження, про яке не відомо, що трапляється у звичайних надпровідниках.
“У односпінових надпровідниках, якщо ви вб’єте надпровідність, вона ніколи не повернеться – вона зникне назавжди”, – говорить Као. “Ось він знову з’явився. Тож це однозначно вказує на те, що цей матеріал не є єдиним твором”.
Вони також зазначили, що після “повторного входу” надпровідність зберігалася до 10 Тесла – максимальної напруженості поля, яку міг створити лабораторний магніт. Це приблизно втричі більше, ніж те, що повинен був би витримати надпровідник, якби це був звичайний спіновий сингл, згідно з обмеженням Паулі, теорії, яка передбачає максимальне магнітне поле, в якому матеріал може зберігати надпровідність.
Поява тришарової надпровідності графена, поряд із стабільністю в магнітних полях, вищих за очікувані, виключає можливість того, що матеріал є звичайним надпровідником. Натомість це, мабуть, дуже рідкісні, ймовірно, триплети, види, які містять пари Купера, які проходять через матеріал, непроникні для високих магнітних полів. Команда планує вивчити матеріал, щоб підтвердити його точний стан віджиму, що може допомогти у розробці більш потужних МРТ, а також більш потужних квантових комп’ютерів.
«Регулярні квантові обчислення дуже крихкі, – говорить Ярілло Ерреро. “Ви подивіться на це, і воно зникає гомо. Близько 20 років тому теоретики запропонували тип топологічної надпровідності, який, якщо його досягти в будь-якому матеріалі, може [enable] Квантовий комп’ютер, де держави, відповідальні за обчислення, дуже потужні. Це дало б більше нескінченної сили займатися обчисленнями. Первинний компонент, про який слід пам’ятати, – це потрійні спінові надпровідники певного типу. Ми не маємо уявлення, чи наш вид такий. Але навіть якби це було не так, це могло б полегшити розміщення тришарового графену з іншими матеріалами для створення такого типу надпровідності. Це може бути чудовий хак. Але ще рано ».
Довідка: «Порушення межі Паулі та повторне введення надпровідності у пульсаційний графен» Юано Као, Чонг Мін Парк, Кенджі Ватанабе, Такаші Танігучі та Пабло Джарілло-Ерреро, 21 липня 2021 р., природи.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-y
Це дослідження було підтримане Міністерством енергетики США, Національним науковим фондом, Фондом Гордона та Бетті Мур, Фондом Рамона Аррекеса та Програмою квантових матеріалів Севара.
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
