Сверхпроводимость муаровой сверхрешетки из графена оказалась настраиваемой

Экспериментальныеисследования трехслойных сверхрешеток из графена позволили обнаружить фазовые переходыиз металлического состояния в моттовский диэлектрик, а из него — всверхпроводник. Это делает подобные структуры идеальными кандидатами для изученияфизики сильно скореллированных систем, таких как высокотемпературныесверхпроводники. Основным преимуществом таких веществ является возможностьварьировать электронные параметры, пишут авторы в журнале Science . Высокотемпературнаясверхпроводимость (ВТСП) является одной из самых актуальных тем в физике конденсированногосостояния. Стандартные сверхпроводники, у которых сопротивление пропадает приблизкой к абсолютному нулю температуре, хорошо описываются теорией Бардина —Купера — Шриффера. Однако для соединений, переходящих в такое состояние при температуре выше100 кельвин, полноценной теории до сих пор не существует. Эта ситуация нетолько неудовлетворительна с точки зрения теоретиков, но она также не позволятразрабатывать все более высокотемпературные сверхпроводники, а открытиярекордных случаев больше связаны со случайными находками. Один из предложенныхподходов связывает ВТСП с допированными моттовскими диэлектриками посредством модели Хаббарда . Изоляторы Мотта согласно стандартной теорииэлектропроводимости должны быть проводниками, но на самом деле они ток непроводят из-за сильного взаимодействия между электронами. Модель Хаббарда — этоприближение в физике конденсированного состояния, которое описывает прыжкиэлектронов между различными положениями в кристаллической решетке ивзаимодействие их при попадании на один участок. Однако теоретическое решение вслучае моттовских диэлектриков оказывается чрезвычайно сложным именно из-засильного взаимодействия электронов. В статье коллективафизиков из Китая, США, Южной Кореи и Японии, руководителем которого выступил ФэнВан (Feng Wang) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, демонстрируетсядетальное исследование такой системы. Идея авторов заключается в помещении сверхрешеткииз трех листов графена между двумя слоями нитрида бора спохожим шестиугольным строением. Так как расстояние между атомами в двухсоединениях различается, то в некоторых местах они оказываются строго друг наддругом, в соседних — слегка смещены, а через примерно 10 нанометров опятьсовпадают, формируя характерный муаровый узор. В результате получается гетероструктура,в которой силой взаимодействия электронов можно управлять. Ранее этот жеколлектив теоретически обосновал эту возможность, а в новой работе реализовалзадумку в эксперименте. Авторыразместили по сторонам структуры металлические контакты, подведя один и кграфену. Таким образом получился транзистор с двумя затворами, что позволилоуправлять концентрацией электронов в каждой муаровой ячейке посредствомвертикального электрического поля. Физики проводили опыты с полученнойструктурой при разной температуре. При 5 кельвинах она превратилась изпроводника с металлическими свойствами в моттовский диэлектрик, а приохлаждении ниже 40 милликельвин сопротивление резко упало. Однако это происходилотолько при наложении мощного вертикального электрического поля с градиентом науровне полватта на нанометр, которое управляло силой взаимодействий электронов.

Так как общей теории взаимодействий таких сложных систем нет, то авторампришлось провести множество экспериментов, прежде чем они наши нужные значениямпараметров. Необычный вариант сверхпроводимости относительно недавно открыли в двухслойном графене, один из листов которогоповернут на «магический угол» в 1,1 градус. Однако управлять параметрами втаком случае невозможно. Авторы отмечают, что их подход обладает несколькимипреимуществами. Во-первых, трехслойная структура позволяет управлять степеньюскоррелированности электронов посредством вертикального электрического поля,во-вторых, муаровый узор сверхрешетки более однороден, чем в случае графена споворотом листов, а в-третьих, новая система гораздо меньше зависит от углов между слоями, что дает дополнительную свободу. Недавно ученые экспериментально зафикировали парадокс Клейна, то есть идеальное тунеллирование при наличии потенциального барьера, в случае топологического проводника в сверхпроводящем состоянии. Также физики подтвердили сверхпроводимость гидрида лантана при температуре −23 градуса Цельсия. Еще одной необычной системой без электрического сопротивления оказался обогащенный дырками купрат бария. Тимур Кешелава