Американські фізики поекспериментували із накладеними один на одного шарами графену та з'ясували, що більша їх кількість, то стабільнішу надпровідність вони забезпечують. Закручуючи все більше шарів під «магічним кутом» один відносно одного, вчені побачили, що надпровідні властивості проявляються у більшому діапазоні рівня заселеності електронами. У своїй публікації в журналі Science науковці зазначають, що слід ще уточнити причини такої поведінки електронів, однак її краще розуміння допоможе створювати стійкі графенові надпровідники.
Ella Maru Studio
Як складають графен?
Графеном називають одну з модифікацій вуглецю, яка має товщину всього в один атом, що надає йому безліч цікавих властивостей. І фізики люблять його складати у так звані «сендвічі», накладаючи його шарами і повертаючи їх відносно один одного під певним кутом. І залежно від кута та утвореного таким чином з графену гексагонального муарового візерунка, електронними властивостями матеріалу можна керувати.
Зокрема вчені вирахували так звані «магічні» кути для різної кількості складених шарів графену, за яких отриманий «сендвіч» перетворюється на надпровідник. Наприклад, для двошарового графену цей «магічний кут» близький до 1,1 градуса.
Складання графену. Jeong Min Park et al. / Nature Materials, 2022
В чому магія?
Річ у тім, що електронну структуру графену можна графічно уявити як конус — їх так і називають конусами Дірака. Такий вигляд має залежність енергії електрона та його імпульсу: верхній конус є зоною провідності, а нижній — валентною. Якби графен був провідником, то ці зони у нього би перекривалися, не заважаючи електронам брати участь у провідності.
Однак точки переходів для електронів між валентною зоною і зоною провідності в графені знаходяться у верхівках цих конусів. Але під певним, саме «магічним» кутом, ці конуси в графеновому «сендвічі» перетворюються на площину на єдиному рівні Фермі. А електрони, які в неї потрапили, — на носіїв надпровідності.
Схематичне зображення зонної структури графену з вершинами конусів Дірака в К і К`. Milan Orlita et al.
Втім, саме по собі існування таких зон не гарантує надпровідності, а тому фізики займаються пошуком особливостей муарових структур, які б допомогли уточнити механізм такої надпровідності. І в цій роботі фізики з університетів США, Японії та Німеччини вирішили дослідити три, чотири- і п'ятишарові графенові структури, скручуючи їх під потрібними кутами.
Чим більший «сендвіч», тим краще?
У своїй роботі вчені закручували графенові шари під кутом 1,52 градуса для трьох, 1,8 для чотирьох та 1,82 для п'ятьох. І що більша була кількість шарів, то у більшому діапазоні рівня заселеності v електронами комірок у решітці виникала надпровідність. Тобто якщо зазвичай у двошаровому графені надпровідність виникає у межах 2, то із п'ятишаровим графеном фізикам вдалося добитися рівня заселеності у п'ять електронів, що навіть виходить за межі теоретично передбачених чотирьох для кожної муарової комірки. У решті «сендвічів» переходи між станом надпровідника та ізолятора відбувалися поблизу цілих значень цього параметра. І це все попри очікувану фізиками підвищену вразливість багатошарового графену до невпорядкованості через додаткові кути закручення та можливого зміщення між шарами.
Фазова діаграма закрученого під магічним кутом п'ятишарового графену, де синім позначено зону надпровідності, що чергується зі станом ізолятора (червоний). Перехід між ними визначається рівнем заселеності. Zhang et al. / Science, 2022
Загалом, враховуючи появу надпровідності незалежно від кількості шарів графену, вчені зазначають, що пояснення лежить у саме у цій пласкій зоні, що утворюється з конусів Дірака, а саме у її заповненості електронами та симетрії у кожній муаровій комірці. Фізики сподіваються, що відкриті ними особливості багатошарового графену допоможуть уточнити теоретичне підґрунтя надпровідності у графені, а також стане у пригоді в практичному його використанні, розширивши можливі сфери застосування.
Також раніше ми розповідали, як закрученому під магічним кутом тришаровому графену вдалося обійти межу Паулі — втримати свою надпровідність перед магнітним полем. А у зігнутому графеновому «сендвічі» фізики посунули точки Дірака і так змінити його електропровідні властивості.