Физика

Графен продолжает приносить физикам пользу. На этот раз тонкий углеродный слой защитил от внешней среды полезное квантовое взаимодействие

Материалы со свойствами сверхпроводника проводят электрический ток без потерь энергии, но пока в очень специфических условиях. Ученые постоянно работают над тем, чтобы сделать сверхпроводимость доступной вне лабораторий.

Магнитное поле часто подавляет сверхпроводимость, если только в материале не используются элементы с большой атомной массой. В них спины взаимодействуют с движением электронов по механизму спин-орбитального взаимодействия.

Сверхпроводимость в этих материалах может формироваться по типу Изинга: спины электронов оказываются «заморожены» перпендикулярно плоскости кристалла. Это защищает электронные пары от магнитных полей. Ученые наблюдали изинговскую сверхпроводимость только в материалах с тяжелыми химическими элементами.

Физики нашли способ сохранить сверхпроводимость в магнитном поле для легкого галлия. Для этого пришлось поместить металл между графеном и карбидом кремния. Взаимодействие материалов на границе их раздела позволяет всей структуре сохранить сверхпроводящие свойства. Статья об этом вышла в журнале Nature Materials.

Ученые создали слоистую структуру на подложке из карбида кремния (6H-SiC(0001)). На нее нанесли графен и заставили галлий проникнуть между подложкой и графеном. Последний защищает галлий от окисления и загрязнения.

Получившаяся структура сохраняет сверхпроводимость в магнитных полях, параллельных поверхности материала. Величина магнитного поля, при котором сверхпроводимость сохранялась, составила 21 тесла при температуре эксперимента в 400 милликельвин, что более чем в три раза превысило теоретический предел Паули.

Ученые связывают этот эффект с особой квантовой структурой, сформированной на границе раздела материалов. Поскольку слой галлия очень тонкий, он находится в квантовом ограничении — меняется конфигурация энергетических уровней металла. А взаимодействия с подложкой приводят к сильной гибридизации электронных орбиталей и изменению зонной структуры образца.

«Только объединив опыт в синтезе материалов, квантовом транспорте и теоретическом моделировании, мы смогли раскрыть явление, которое трудно было бы реализовать в рамках одной исследовательской группы», — подытожил руководитель исследовательской группы профессор Цуй-Цзу Чан (Cui-Zu Chang).