Довго вважалося, що один матеріал не може виявляти одночасно надпровідні та магнітні властивості. Нещодавно фізики знайшли такий надпровідник – ромбоедричний графен. Графіт, що пише частина олівців, складається з безлічі шарів графена – листів вуглецю завтовшки один атом. У графіті ці листи лежать один на одному, зв’язок між ними слабкий, графіт легко розшарувати, тому олівець залишає сліди на папері.
Зазвичай шари графену лежать одна на одній зі зсувом і повторюються один. Але іноді трапляються невеликі ділянки, де графен покладено на інший конфігурації: з шарами, зміщеними як сходи. У такій комбінації атоми вуглецю розташовуються у просторі у формі ромбів, а структуру матеріалу називають ромбоедричною.
Фізики Массачусетського технологічного інституту (MIT, США) виявили, що коли чотири або п’ять шарів графена складені в цій «ромбоедричній» конфігурації, отримана структура виявляє особливі властивості. Цей «хіральний надпровідник» проводить електрику без опору і має внутрішню намагніченість. Статтю про роботу опубліковано в журналі Nature. Ця команда фізиків давно вивчає властивості п’ятишарового ромбоедричного графену. Нещодавно вони виявили, що така конфігурація дозволяє електронам розділятися на фракції, якщо покласти під неї нітрид бору під певним кутом.
Вчені зосередилися на дослідженні того, як розділені електрони поводяться у різних умовах. Фізики виявили, що при охолодженні до 300 мілікельвін (близько мінус 273 градусів Цельсія) матеріал стає надпровідником – електричний струм може протікати через нього без опору. А при зміні зовнішнього магнітного поля матеріал перемикається між двома різними надпровідними станами. Це показує, що надпровідник має деяку внутрішню, власну намагніченість. Інші надпровідники на таке не здатні.
Коли вчені змінили полярність магнітного поля, матеріал зберігав свій надпровідний стан, крім двох нетривалих відрізків часу, по одному кожної полярності. Опір короткочасно зростав, потім повертався до нуля, і матеріал знову став надпровідним.
«Якби це був звичайний надпровідник, він просто залишався б при нульовому опорі, поки магнітне поле не досягло б критичної точки, де надпровідність зникла б. Натомість цей матеріал, схоже, перемикається між двома надпровідними станами як магніт, який спочатку спрямований нагору, а потім може перевернутися вниз при додатку магнітного поля. Це надпровідник, який поводитися як магніт, і це повна несподіванка», — каже Зах Хаджрі (Zach Hadjri), один з авторів статті.
Команда підтвердила знайдений ефект на шести дослідних зразках. Вчені припускають, що унікальна конфігурація ромбоедричного графена – ключова умова прояви знайдених властивостей. Матеріал має дуже просту структуру атомів вуглецю. При охолодженні до наднизьких температур теплові коливання зводяться до мінімуму, що дозволяє будь-яким електронам, що протікають через матеріал, сповільнюватися, відчувати один одного та взаємодіяти.
Такі квантові взаємодії можуть призвести до утворення електронних пар та надпровідності. Ці взаємодії також можуть сприяти узгодженій поведінці електронів – вони можуть займати один із двох протилежних станів імпульсу, або енергетичних “долин”. Коли всі електрони знаходяться в одній долині, вони обертаються в одному напрямку. У звичайних надпровідниках електрони можуть займати будь-яку долину і будь-яка пара електронів зазвичай складається з електронів протилежних долин, які компенсують один одного. В результаті пара загалом має нульовий імпульс і не обертається.
Однак у виявленій вченими структурі всі електрони взаємодіють так, що поділяють ту саму «долину» або стан імпульсу. Коли електрони потім об’єднуються в пари, надпровідна пара в цілому має ненульовий імпульс і обертання, що разом із багатьма іншими парами може створювати внутрішню надпровідну намагніченість.
«Можна уявити, що два електрони в парі обертаються за годинниковою стрілкою або проти годинникової стрілки, що відповідає магніту, спрямованому вгору чи вниз. Ми вважаємо, що це перше спостереження надпровідника, що поводитися як магніт завдяки орбітальному руху електронів. Це хіральний надпровідник, унікальний випадок. Він також є кандидатом у топологічні надпровідники, що може забезпечити стійкі квантові обчислення», – пояснив Тонгхан Хан (Tonghang Han), інший автор статті.