Сверхпроводники, позволяющие электричеству течь без малейших потерь, — основа многих передовых технологий, от медицинских МРТ-сканеров до ускорителей частиц. Однако их широкому применению мешает главный недостаток: обычные сверхпроводники работают только при экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю. Ученые по всему миру ищут материалы, способные к сверхпроводимости при более высоких, практических температурах, что могло бы революционизировать энергосистемы и квантовые компьютеры.
Значительный шаг к этой цели сделали физики из Массачусетского технологического института (MIT). Им впервые удалось получить прямое доказательство так называемой "нетрадиционной" сверхпроводимости в уникальном материале — трехслойном графене с "магическим" углом закрутки (MATTG). Этот материал создается путем точной укладки трех атомарно тонких слоев графена под специфическим углом, что порождает необычные квантовые свойства. К нетрадиционным сверхпроводникам также относятся высокотемпературные купраты на основе оксидов меди, пниктиды железа, тяжелофермионные и органические соединения. Их объединяет с графеном с магическим углом то, что сверхпроводимость в них возникает в условиях сильных электронных корреляций, плоских зон или близости к магнитному упорядочению и часто не объясняется классической теорией Бардина-Купера-Шриффера.
Ключевым доказательством стало измерение параметра, известного как "сверхпроводящая щель", который показывает, насколько стабильно сверхпроводящее состояние материала при разных температурах. Оказалось, что в MATTG эта щель имеет резкую V-образную форму, кардинально отличающуюся от плавной и плоской щели в обычных сверхпроводниках. Эта разница указывает на то, что сверхпроводимость в графене возникает благодаря совершенно новому, ранее неизвестному механизму.
Для своего открытия исследователи разработали инновационную экспериментальную платформу. Она сочетает метод туннельной спектроскопии, позволяющий наблюдать за поведением электронов на квантовом уровне, с классическими измерениями электрического сопротивления. В отличие от методов, усредняющих свойства по объёму, или методов, требующих выхода электронов в вакуум, туннельная спектроскопия, такая как сканирующая туннельная микроскопия/спектроскопия, позволяет с атомарным разрешением картировать локальную плотность электронных состояний. Это критично для изучения неоднородностей и тонких особенностей в сверхпроводниках, таких как щель в спектре. Именно эта комбинация методов позволила ученым в реальном времени увидеть, как формируется сверхпроводящая щель именно в момент, когда сопротивление материала падает до нуля.
Понимание нового механизма сверхпроводимости в графене — это не просто академическое достижение. Как отмечают ученые, глубокое изучение одного "нетрадиционного" сверхпроводника может пролить свет на принципы работы других подобных материалов. Это открывает путь к целенаправленному поиску и созданию перспективных соединений для сверхпроводников будущего, способных работать при температурах, которые изменят наши технологии.
Источник: MIT quantum breakthrough edges toward room-temp superconductors