Физики обнаружили сверхпроводящие состояния, усиливающиеся в условиях подавления

Фото из открытых источников

Сверхпроводимость, способность материалов проводить электричество с нулевым сопротивлением, является ценным научным открытием. Исследователи обнаружили новый образец этого экзотического явления, скрытый внутри особого вида ромбоэдрического графена.

Эта встречающаяся в природе форма графена состоит из нескольких сверхтонких слоев, каждый из которых расположен под определенным углом относительно соседних слоев. Благодаря своим необычным свойствам, это вещество пользуется особой популярностью среди ученых.

В рамках этой новой серии открытий, опубликованной в журнале Nature, исследователи под руководством команды из Массачусетского технологического института экспериментировали с ромбоэдрическим графеном, уложенным в четыре и пять слоев, манипулируя ими для создания различной плотности электронов (контролируя конкретную форму, которую принимает сверхпроводимость).

Исследования при сверхнизких температурах не только показали, что графен может содержать несколько сверхпроводящих состояний — что само по себе является крайне редким явлением, — но и продемонстрировали, что некоторые из этих состояний фактически усиливаются при воздействии магнитных полей, которые обычно подавляют сверхпроводимость.

«С точки зрения фундаментальной физики, очень необычно, что магнитное поле не подавляет сверхпроводимость, а, наоборот, усиливает её», — говорит физик Лонг Джу из Массачусетского технологического института. «Мы предоставили множество экспериментальных результатов и информацию, которую люди могут усвоить, чтобы попытаться понять, что здесь происходит».

Это не первый случай, когда члены этой команды обнаруживают нетрадиционные состояния сверхпроводимости в ромбоэдрическом графене; эта последняя работа добавляет к их послужному списку еще три таких открытия.

Сверхпроводники основаны на том, что электроны образуют пары с другими электронами с противоположными магнитными спинами (куперовские пары), а затем скользят сквозь материалы без помех. Обычно добавление магнитного поля достаточно объединяет спины этих электронов, чтобы разорвать эти пары и вызвать сверхпроводимость.

Здесь же все было иначе. Когда исследователи изменяли плотность электронов, а также напряженность и ориентацию магнитного поля, появлялись странные результаты.

В одном случае сверхпроводимость проявилась только после включения магнитного поля. В двух других случаях магнитное поле усилило сверхпроводимость, сделав её, по сути, более устойчивой и способной выдерживать более широкий спектр условий.

«На самом деле, сверхпроводимость усиливается, то есть температура перехода повышается с 55 милликельвинов до, вероятно, 90 милликельвинов», — говорит Джу. «В то же время, материал может выдерживать еще 50 или 60 процентов дополнительного тока, прежде чем сверхпроводимость будет разрушена. И это очень необычно».

Следующий вопрос заключается в том, почему эти сверхпроводящие состояния являются исключением из правила в отношении магнитных полей, — и на этот вопрос исследователи пока не уверены.

У них есть одна рабочая теория: в этих конкретных условиях электроны способны совпадать с другими электронами, имеющими такое же спиновое выравнивание.

Магнитное поле по-прежнему притягивает электроны, но они уже выровнены таким же образом, сохраняя свою сверхпроводимость.

«Люди могут предположить, что это простой, скучный углеродный материал, но мы можем контролировать его свойства, регулируя определенные параметры в ходе экспериментов, например, электрическое напряжение», — говорит Джу. «Вот почему простой физический материал может проявлять так много различных сверхпроводящих свойств».

Далее исследователи планируют более детально изучить каждое сверхпроводящее состояние по очереди, выяснив, как оно генерируется и как взаимодействует с магнитными полями (здесь использовались поля, в 180 000 раз превышающие магнитное поле Земли).

Стоит помнить, что сверхпроводимость здесь по-прежнему достигается при сверхнизких температурах и специальных лабораторных условиях, но она может найти потенциальное применение в области квантовых вычислений, например, для повышения стабильности заведомо нестабильных кубитов.

Однако до этого еще далеко.

На данный момент это исследование является еще одним доказательством экзотических состояний, которые можно получить из природных материалов, таких как ромбоэдрический графен, — с помощью нескольких изменений их свойств.

«В процессе исследований мы можем контролировать простейший химический и структурный материал — кристаллический углерод», — говорит физик Джунсок Со из Массачусетского технологического института. «Мы имеем дело не только с тем, что даёт нам природа, но и применяем дополнительные методы контроля, чтобы превратить это в нечто, чего природа нам не даёт, но что может существовать в том же самом материале».