Группа физиков из Массачусетского технологического института (MIT) обнаружила сверхпроводящий материал, который одновременно обладает свойствами магнита, открыв новую страницу в изучении природы сверхпроводимости. Уникальное сочетание этих характеристик найдено в обычном графите, а именно — в ромбоэдрическом графене, состоящем из 4-5 слоев графена, расположенных «лестницей».
Об этом сообщает ProIT
Открытие нового сверхпроводника в графене
Исследователи изолировали микроскопические частицы ромбоэдрического графена от массива графита и провели серию электрических экспериментов. Оказалось, что при охлаждении до температур, близких к –273 °C, этот материал переходит в сверхпроводящее состояние — то есть проводит электрический ток без сопротивления. Однако, в отличие от классических сверхпроводников, ромбоэдрический графен демонстрирует также магнитные свойства: при изменении внешнего магнитного поля материал переключается между двумя сверхпроводящими состояниями, ведя себя как магнит с переключением полярности.
Такое поведение наблюдали в шести различных образцах. Оно не было выявлено ни в одном другом сверхпроводящем материале. Критическое магнитное поле этого хирального сверхпроводника достигало 1,4 тесла, что выше, чем у других графеновых сверхпроводников.
«Общее мнение таково, что сверхпроводники не любят магнитные поля. Но мы считаем, что это первое наблюдение сверхпроводника, который ведет себя как магнит, с такими прямыми и простыми доказательствами. И это довольно удивительно, потому что это противоречит общему представлению людей о сверхпроводимости и магнетизме», — отмечает старший автор исследования, профессор кафедры физики MIT Лонг Джу.
Механизм хиральной сверхпроводимости и потенциал для квантовых технологий
В основе открытия лежит особая электронная структура ромбоэдрического графена. В обычных проводниках электроны движутся хаотично, взаимодействуя с атомной решеткой, из-за чего возникает электрическое сопротивление. Однако при охлаждении до сверхнизких температур электроны начинают формировать пары, которые движутся материалом без рассеяния, обеспечивая сверхпроводимость.
Ромбоэдрический графен отличается тем, что электроны в нем накапливаются в одной так называемой «долине» и вращаются в одном направлении, создавая внутренний магнетизм. Такая хиральная сверхпроводимость открывает перспективы для создания топологических сверхпроводников, которые могут применяться в стабильных квантовых вычислениях.
Исследователи MIT, а также их коллеги из Университета штата Флорида, Базельского университета (Швейцария) и Национального института материаловедения (Япония) считают, что уникальная атомная структура материала позволяет электронам разделяться на составляющие и двигаться особой траекторией. В паре электроны могут вращаться по или против часовой стрелки, что соответствует направлению магнитного поля.
«Вы можете представить себе два электрона в паре, которые вращаются по часовой стрелке или против часовой стрелки, что соответствует магниту, направленному вверх или вниз. Поэтому мы думаем, что это первое наблюдение сверхпроводника, который ведет себя как магнит благодаря орбитальному движению электронов, известному как хиральный сверхпроводник. Он единственный в своем роде. Он также является кандидатом на топологический сверхпроводник, который может обеспечить надежные квантовые вычисления», — подчеркнул один из участников исследования Тонгханг Хан.
Открытие открывает путь к разработке устойчивых квантовых битов (кубитов), усовершенствованных магнитов для МРТ и энергоэффективной электроники, которая может снизить потребление энергии на 20–30 %. Ученые планируют работать над повышением температуры сверхпроводимости и масштабированием устройств на основе этого материала.
Результаты этой работы были опубликованы в журнале Nature.
