Дослідники з Вашингтонського університету (UW) розробили новий спосіб керування електричними властивостями незвичайного матеріалу на основі графену. Змінюючи механічну деформацію його атомних шарів, науковці змогли змінити електричний опір більш ніж у 100 разів. Такий підхід може допомогти краще зрозуміти надпровідність та інші незвичайні квантові явища.
В основі експерименту — так званий муаровий візерунок, який виникає, коли два надтонкі шари графену накладають один на одного з невеликим кутом повороту. Через взаємне зміщення атомних ґраток утворюється нова структура з характерним повторюваним малюнком. Змінюючи кут між шарами, можна впливати на її властивості.
Від надпровідника до ізолятора
Особливу увагу до таких структур привернули дослідження 2018 року. Тоді науковці Массачусетського технологічного інституту показали, що два шари графену, повернуті один відносно одного приблизно на 1,1 градуса, за температур, близьких до абсолютного нуля, можуть ставати надпровідниками.
У такому стані електрони рухаються без електричного опору. Це відкриває перспективи для розробки нових матеріалів і технологій у сферах обчислень, енергетики та квантових сенсорів.
Подальші експерименти показали, що властивостями муарових структур можна керувати за допомогою температури, електричної напруги та магнітних полів. Залежно від умов матеріал може переходити між металевим, ізоляційним і надпровідним станами.
«За допомогою цих параметрів ми можемо перемикати матеріал між різними станами матерії передбачуваним і відтворюваним способом», — пояснив Меттью Янковіц, доцент фізики та матеріалознавства Вашингтонського університету.
Деформація змінює електричний опір
Команда Янковіца та професора Джун-Хав Чу вирішила перевірити, чи можна керувати властивостями матеріалу ще й за допомогою механічної деформації.
Створення муарових структур — складний процес. Надтонкі атомні шари легко деформуються під час перенесення та накладання один на одного. Через це реальні зразки часто мають нерівності й викривлення, які ускладнюють експерименти.
Щоб контролювати цей ефект, дослідники помістили матеріал у спеціальний пристрій, здатний розширюватися та стискатися під впливом електричної напруги. Це дозволило регулювати механічне напруження в атомних ґратках.
Результат виявився значним: зміна деформації призвела до зміни електричного опору більш ніж у 100 разів порівняно зі звичайним металевим станом матеріалу. За наднизьких температур цей ефект можна було посилити.
Значення для дослідження надпровідності
За словами Чу, подібна сильна реакція на механічну деформацію спостерігається й в інших незвичайних матеріалах, зокрема у високотемпературних надпровідниках. Механізми їхньої роботи досі залишаються однією з важливих нерозв’язаних проблем фізики.
Дослідники вважають, що спільні закономірності можуть допомогти краще зрозуміти природу цих явищ. Наступний крок команди — спростити експериментальну методику, щоб інші лабораторії могли відтворити результати та перевірити її на інших матеріалах.
Поки що йдеться про фундаментальне дослідження, а не про готову технологію для практичного застосування. Однак можливість точно змінювати властивості квантових матеріалів за допомогою механічної деформації відкриває нові напрямки для експериментів із надпровідністю та електронікою майбутнього.