Физики из Массачусетского технологического института открыли новый тип сверхпроводника, который также является магнитом.
Магниты и сверхпроводники сочетаются друг с другом, как масло и вода, — по крайней мере, так считали учёные. Но новое открытие физиков из Массачусетского технологического института ставит под сомнение это предположение, которому уже сто лет.
В статье, опубликованной в журнале Nature, физики сообщают, что они открыли «хиральный сверхпроводник» — материал, который проводит электричество без сопротивления, а также, как ни парадоксально, обладает внутренней магнитной восприимчивостью. Более того, они обнаружили эту экзотическую сверхпроводимость в удивительно обычном материале: графите, из которого делают грифель для карандашей.
Графит состоит из множества слоёв графена — атомарно тонких, похожих на решётку слоёв атомов углерода, — которые расположены друг над другом и могут легко отслаиваться при надавливании, например, когда вы пишете на листе бумаги. Одна пластина графита может содержать несколько миллионов слоёв графена, которые обычно расположены так, что каждый второй слой совпадает с предыдущим. Но иногда в графите встречаются крошечные участки, где графен расположен по-другому, напоминая лестницу из смещённых слоёв.
Команда из Массачусетского технологического института обнаружила, что, когда четыре или пять листов графена укладываются в эту «ромбоэдрическую» конфигурацию, полученная структура может обладать исключительными электронными свойствами, которых нет у графита в целом.
В своём новом исследовании физики выделили из графита микроскопические чешуйки ромбоэдрического графена и подвергли их ряду электрических испытаний. Они обнаружили, что при охлаждении чешуек до 300 милликельвинов (около -273 градусов по Цельсию) материал превращается в сверхпроводник, то есть любой электрический ток, проходящий через материал, может протекать без сопротивления.
Они также обнаружили, что при изменении направления внешнего магнитного поля хлопья могут переключаться между двумя различными сверхпроводящими состояниями, как магнит. Это говорит о том, что сверхпроводник обладает некоторым внутренним, присущим ему магнетизмом. Такое переключение отсутствует в других сверхпроводниках.
Каким бы противоречивым ни казалось это открытие, команда наблюдала такое же явление в шести аналогичных образцах. Они подозревают, что ключевым фактором является уникальная конфигурация ромбоэдрического графена. Материал имеет очень простое расположение атомов углерода. При охлаждении до сверхнизких температур тепловые колебания сводятся к минимуму, что позволяет электронам, проходящим через материал, замедляться, чувствовать друг друга и взаимодействовать.
Такие квантовые взаимодействия могут приводить к образованию электронных пар и сверхпроводимости. Эти взаимодействия также могут способствовать координации электронов. В частности, электроны могут коллективно занимать одно из двух противоположных состояний импульса, или «долин». Когда все электроны находятся в одной долине, они эффективно вращаются в одном направлении, а не в противоположном. В обычных сверхпроводниках электроны могут занимать любую из долин, и любая пара электронов обычно состоит из электронов противоположных долин, которые компенсируют друг друга. Таким образом, пара в целом имеет нулевой импульс и не вращается.
Однако в структуре материала, созданного командой, все электроны взаимодействуют таким образом, что они находятся в одной и той же долине, или в одном и том же состоянии импульса. Когда электроны объединяются в пары, сверхпроводящая пара в целом имеет «ненулевой» импульс и вращается, что, наряду со многими другими парами, может приводить к возникновению внутреннего сверхпроводящего магнетизма.
«Можно представить, что два электрона в паре вращаются по часовой стрелке или против часовой стрелки, что соответствует направлению магнита вверх или вниз, — объясняет Тонган Хан, студент пятого курса, работающий в группе. — Поэтому мы считаем, что это первое наблюдение сверхпроводника, который ведёт себя как магнит из-за орбитального движения электронов. Это единственный в своём роде сверхпроводник. Он также является кандидатом на роль топологического сверхпроводника, который может обеспечить надёжные квантовые вычисления».