Физики МТИ получили прямое подтверждение нетрадиционной сверхпроводимости в трехслойном графене

Физики из Массачусетского технологического института (МТИ) сообщили о получении наиболее прямых доказательств нетрадиционной сверхпроводимости в материале, известном как магически-угловой скрученный трехслойный графен (MATTG). Это открытие, опубликованное в журнале Science, имеет значение для понимания механизмов экзотических квантовых явлений и может способствовать разработке практичных высокотемпературных сверхпроводников.

Сверхпроводимость — явление, при котором электрический ток течет без потерь, — в традиционных материалах объясняется спариванием электронов посредством колебаний атомной решетки. Однако в MATTG, по мнению исследователей, задействован иной, более устойчивый механизм, вероятно, обусловленный сильными электронными взаимодействиями, а не колебаниями решетки.

Ключевым элементом прорыва стало применение новой экспериментальной платформы, разработанной командой МТИ, которая объединила измерения туннелирования электронов с измерениями электрического транспорта. Этот гибридный подход позволил однозначно зафиксировать сверхпроводящий туннельный зазор в MATTG, который проявлялся только при нулевом электрическом сопротивлении. В ходе экспериментов было обнаружено, что зазор имеет отчетливый V-образный профиль, что кардинально отличает его от плоской формы, характерной для классических сверхпроводников, и указывает на нетрадиционный порядок сверхпроводимости, не соответствующий теории БКШ.

В исследовании участвовали соруководители Шувэнь Сунь, аспирант физического факультета МТИ, и Джонг Мин Пак (Ph.D.). Позиция Сунь заключается в том, что понимание этого зазора дает подсказки для проектирования сверхпроводников следующего поколения, потенциально способных работать при более высоких температурах. Джонг Мин Пак предполагает, что спаривание в системе MATTG возникает из-за сильных электронных взаимодействий, что означает, что сами электроны способствуют своему спариванию, формируя состояние с особой симметрией.

Сверхпроводники, используемые в аппаратах МРТ и ускорителях частиц, требуют чрезвычайно низких температур для работы. Открытие нетрадиционного механизма в MATTG, где электронные пары, по-видимому, связаны прочнее, чем в обычных сверхпроводниках, открывает путь к разработке материалов, способных сохранять сверхпроводимость при более практичных температурах. Трехслойная конфигурация графена, в отличие от двуслойной, продемонстрировала более устойчивую сверхпроводимость, настраиваемую внешним электрическим полем, что открывает направления в области «твистроники». В исследовании также участвовали Кэндзи Ватанабэ и Такаши Танигучи из Национального института материаловедения Японии, предоставившие высокочистые кристаллы гексагонального нитрида бора, способствующие прогрессу в исследованиях графена.

Эмпирическое подтверждение нетрадиционной сверхпроводимости в MATTG служит важным шагом к созданию технологий с нулевыми потерями энергии и более практичных квантовых компьютеров.