Физики раскрыли секреты "магического" сверхпроводящего графена

МОСКВА, 31 июл. Физики из Принстона выяснили, почему два листа графена, склеенные друг с другом под определенным "магическим" углом, внезапно становятся то изоляторами, то сверхпроводниками. Теоретическое объяснение этого феномена было изложено в журнале Nature.

"Это очень простой материал, просто два листа атомов углерода, склеенных друг с другом. Почему-то при определенных обстоятельствах он превращается в сверхпроводник. Десятки лабораторий по всему миру пытаются понять, как возникает этот эффект", — рассказывает Али Яздани (Ali Yazdani), профессор из Принстонского университета.

Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой структурой химических связей, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот. За создание графена, обладающего уникальными физико-химическими свойствами, работающие в Великобритании выходцы из России Константин Новоселов и Андрей Гейм получили Нобелевскую премию 2010 года по физике.

Не все уникальные свойства графена оказались полезными — к примеру, неожиданным образом оказалось, что графен крайне тяжело превратить в полупроводник, что делает его малопригодным для изготовления электронных приборов, солнечных батарей, лазеров и источников света. Кроме того, графен нельзя растягивать из-за очень высокой хрупкости.

Многие эти проблемы ученые пытаются решить, используя не однослойные, а двухслойные или многослойные "бутерброды" из листов графена. Подобные структуры конструкции иногда имеют крайне необычные свойства.

К примеру, в прошлом году физики из MIT совершенно случайно создали экзотический "изоляторо-сверхпроводник", склеив два кусочка графена под определенным углом и получив своего рода муаровый узор.

Они предположили, что при таком положении листов графена, атомы углерода внутри них начинают очень сильно влиять на то, как перемещаются носители заряда внутри всего "бутерброда" в целом.

В определенных случаях это заставляет их или двигаться без потерь энергии, подобно парам электронов в высокотемпературных сверхпроводниках, а в других — образовать непреодолимый барьер для других частиц, который физики называют "изолятором Мотта".

Так ли это на самом деле и почему этот "магический" эффект исчезает, если сдвинуть листы графена даже на доли градуса, ученые не знали. Принстонские физики нашли ответы на оба этих вопроса, "обстреливая" подобный бутерброд из графена при помощи сканирующего туннельного микроскопа.

Этот прибор представляет собой очень тонкую и острую иглу, на конец которой подается ток. В зависимости от разницы в напряжении между ней и изучаемым образцом материи, электроны начнут "перепрыгивать" из иглы в материал или назад, подчиняясь законам квантовой механики. Наблюдая за тем, как меняется сила тока и напряжение, можно получить очень четкую картину того, как устроена изучаемая поверхность и как распределены электроны внутри нее.

Проводя подобные замеры с "магическим" графеном, Яздани и его коллеги меняли угол между слоями и переводили этот материал из одного состояние в другое, наблюдая за тем, как менялось при этом поведение электронов.

Как показали эти опыты, в рождении и тех, и других удивительных свойств этих структур были замешаны необычно сильные взаимодействия носителей отрицательного заряда, заставлявшие их или объединяться в сверхпроводящие пары, или образовать изолирующие барьеры. Именно они, по мнению принстонских физиков, и превращали графен в сверхпроводник.

Схожие следы взаимодействий электронов чуть раньше, в конце прошлого года, обнаружили российские и немецкие ученые, изучавшие свойства "магического" графена иными путями, наблюдая за свечением этого материала при его обстреле ускорителем частиц BESSY-II.

И те, и другие опыты, как надеются физики, помогут нам понять, как превратить "нобелевский углерод" в полноценный сверхпроводник, добавляя в него различные примеси или меняя структуру материала, и добиться того, чтобы он работал при комнатных температурах и атмосферном давлении.