Квантовый предел, который считался нерушимым — физики сломали его слоем металла толщиной в три атома

Физики показали, что сверхпроводимость можно сохранить в гораздо более сильном магнитном поле, чем считалось возможным для подобных материалов. Для этого они не взяли привычные соединения с тяжелыми элементами, а построили очень тонкую трехслойную конструкцию с галлием, графеном и карбидом кремния. Именно на границах между этими слоями возникли квантовые эффекты, которые помогли галлию удержать сверхпроводящие свойства там, где обычный сверхпроводник уже перестал бы работать.

Работу выполнила междисциплинарная команда из Университета штата Пенсильвания. Они вырастили пленку галлия толщиной всего в три атомных слоя, поместили ее на подложку из карбида кремния и накрыли сверху графеном. Получившаяся структура сохранила сверхпроводимость в магнитном поле, направленном вдоль поверхности материала. Причем поле оказалось намного сильнее предела, который обычно считают критическим для разрушения сверхпроводящего состояния.

Чтобы понять смысл результата, нужно вспомнить, как вообще работает сверхпроводимость. В обычном проводнике ток сталкивается с сопротивлением, поэтому часть энергии неизбежно уходит в тепло. В сверхпроводнике сопротивление исчезает, и ток течет без потерь. Такой режим возникает при очень низкой температуре, когда электроны перестают вести себя как отдельные частицы и объединяются в куперовские пары. В таком состоянии пары движутся согласованно и не теряют энергию на рассеяние.

У большинства сверхпроводников есть серьезное ограничение. Сильное магнитное поле разрушает куперовские пары, и материал теряет сверхпроводящие свойства. Для этого существует хорошо известный ориентир, который называют парамагнитным пределом Паули. Когда поле становится слишком сильным, спины электронов в паре уже не удерживаются в нужной конфигурации, связь распадается, и сверхпроводимость исчезает. Именно поэтому сверхпроводники трудно использовать в условиях, где без сильных магнитных полей не обойтись.

Раньше ученые уже находили исключения, но почти всегда они были связаны с материалами, в состав которых входят тяжелые элементы. В таких соединениях заметно сильнее проявляется спин-орбитальное взаимодействие. Так называют квантовый эффект, при котором движение электрона связано с направлением его спина. Если материал при этом переходит в сверхпроводящее состояние, спин-орбитальное взаимодействие может сформировать необычный режим, известный как сверхпроводимость типа Изинга. В этом случае ориентация спинов электронов жестко фиксируется перпендикулярно плоскости кристалла, и магнитному полю становится труднее разрушить пары. За счет этого сверхпроводимость держится дольше обычного, даже за пределом Паули.

В новой работе использовали не тяжелый, а легкий элемент, галлий. От него никто не ждал столь устойчивого поведения в магнитном поле. По обычной логике сверхпроводимость должна была ослабевать по мере роста поля и исчезнуть в ожидаемом диапазоне. Но эксперимент показал другое. В трехслойной конструкции галлий сохранил сверхпроводящие свойства в магнитном поле, которое больше чем втрое превысило предел Паули. Для легкого элемента результат выглядит особенно необычно.

Ключевую роль сыграла не только сама пленка галлия, но и вся геометрия конструкции. Нижний слой карбида кремния служил подложкой, на которой выращивали ультратонкий галлий. Верхний слой графена защищал металл от воздуха, окисления и загрязнений. Но самое важное происходило на границах раздела между слоями. Именно там возникли особые квантовые условия, которые и изменили поведение электронов. Исследователи считают, что интерфейсы между галлием, графеном и карбидом кремния создали среду, где легкий элемент начал проявлять свойства, раньше характерные в основном для систем с тяжелыми атомами.

Работа меняет сам подход к поиску необычных сверхпроводников. До сих пор сверхпроводимость типа Изинга почти автоматически связывали с тяжелыми элементами, потому что именно у них сильное спин-орбитальное взаимодействие возникает естественным образом. Теперь выяснилось, что похожий эффект можно получить и в системе с легким элементом, если правильно сконструировать границы между слоями. Иначе говоря, дело не обязательно в тяжелом химическом составе. Иногда решающим оказывается то, как именно собран материал на атомном уровне.

Практическое значение работы тоже вполне понятно. Сверхпроводники нужны для электроники нового поколения, где важны высокая эффективность и очень быстрый перенос сигнала без потерь энергии. Но слабость к магнитным полям долго оставалась серьезным ограничением. Если удастся надежно создавать легкие материалы, которые сохраняют сверхпроводимость в сильном поле, у инженеров появится больше свободы при проектировании квантовых устройств, чувствительных сенсоров и других компонентов, где обычные сверхпроводники быстро выходят из рабочего режима.

Исследователи не собираются останавливаться на одном галлии. Дальше команда хочет проверить, можно ли тем же способом получить необычную сверхпроводимость и у других легких металлов, например у индия и олова, если подобрать для них подходящие подложки и правильно настроить интерфейсы. По сути, работа предлагает не единичный трюк с одним материалом, а более общий принцип. Если он подтвердится, физики смогут собирать целое семейство новых сверхпроводников не за счет тяжелых элементов, а за счет тонкой инженерии на границах атомных слоев.

Если смотреть шире, работа хорошо показывает, куда сейчас движется физика конденсированного состояния. Исследователи все чаще ищут новые свойства не в «чистом» веществе, а в правильно собранной структуре из нескольких слоев, где границы между материалами дают эффекты, которых нет у каждого компонента по отдельности.