Грифель карандаша и сверхпроводник будущего — оказалось, это один и тот же кусок углерода, просто другой толщины

Графит из карандашного грифеля оказался гораздо сложнее, чем кажется по школьным опытам с электричеством и углеродом. В работе, опубликованной в Nature, исследователи показали, что тонкие слои природного графита могут переходить сразу в несколько разных сверхпроводящих состояний. Ещё более необычная часть результата: некоторые из этих состояний не исчезают в магнитном поле, а становятся устойчивее.

Сверхпроводимость возникает, когда электроны в материале образуют пары и проходят через кристалл без электрического сопротивления. Ток в таком состоянии не теряет энергию на нагрев. Поэтому сверхпроводники используют в МРТ-сканерах, квантовых устройствах, экспериментальных реакторах и магнитных системах. Проблема в том, что для большинства известных сверхпроводников нужны очень низкие температуры, а магнитное поле часто разрушает хрупкую электронную связь.

Новая работа сосредоточена на графене - листе углерода толщиной в один атом. В обычном графите такие листы лежат слоями. Если отделять их очень тонкими фрагментами, можно найти участки с особой укладкой. Исследователей интересовал ромбоэдрический графен: четыре или пять графеновых слоёв расположены друг над другом не строго ровно, а с небольшим смещением, похожим на ступеньки лестницы. Графеновые материалы открывают новые возможности в квантовой физике и электронике.

В последние годы графен часто изучают через искусственные структуры, где два слоя специально поворачивают под точным углом. Самый известный пример - графен с магическим углом, в котором при определённой геометрии появляются необычные электронные свойства. В новом исследовании учёные пошли другим путём: не скручивали слои вручную, а искали в природном графите участки, где нужная ступенчатая структура уже возникла сама.

Поиск начинается почти грубо: от куска графита отделяют тонкие хлопья, в том числе с помощью клейкой ленты, а затем под микроскопом находят фрагменты с нужным рисунком слоёв. После отбора образец помещают в установку, где можно менять электрическое напряжение, добавлять или убирать электроны, охлаждать материал почти до абсолютного нуля и измерять сопротивление. Если сопротивление падает до нуля, появляется признак сверхпроводимости.

Раньше в похожих опытах исследователи в основном добавляли электроны в ромбоэдрический графен и уже находили необычные состояния, включая редкую хиральную сверхпроводимость. В новой работе проверили обратный режим: из образца постепенно убирали электроны, снижая плотность электронов в материале. Одновременно через материал пропускали внешний ток, измеряли сопротивление и включали магнитное поле в двух направлениях - вдоль плоскости графена и перпендикулярно ей.

При определённых плотностях электронов в четырёх- и пятислойном ромбоэдрическом графене появились четыре разных сверхпроводящих состояния. Для одного материала это редкость: большинство сверхпроводников ведут себя куда менее разнообразно. Здесь же один и тот же углеродный фрагмент менял поведение в зависимости от напряжения, плотности носителей заряда и направления магнитного поля.

Главный сюрприз дала проверка магнитом. В обычной сверхпроводимости электроны собираются в куперовские пары с противоположными спинами. Магнитное поле пытается развернуть эти спины, разрывает пары и уничтожает сверхпроводящее состояние. В ромбоэдрическом графене три состояния пережили поле до 9 тесла, когда поле было направлено параллельно плоскости материала. Для сравнения: это примерно в 180 000 раз сильнее магнитного поля Земли.

Перпендикулярное поле дало ещё более странный эффект. При одной из плотностей электронов сверхпроводимость не просто сохранилась, а усилилась. Переходная температура выросла примерно с 55 до 90 милликельвинов. Материал также выдержал на 50-60% больший ток перед разрушением сверхпроводящего режима. Для сверхпроводника, который должен слабеть под действием магнита, такое поведение выглядит необычным с точки зрения базовой физики.

Точного объяснения пока нет. Одна из рабочих идей связана с тем, что электроны в ромбоэдрическом графене могут образовывать пары не с противоположными, а с одинаково направленными спинами. Тогда магнитное поле действует на оба электрона в паре похожим образом и не разрывает связь так легко, как в привычных сверхпроводниках. Такая схема потребует отдельной проверки: скрученный графен показал похожие необычные эффекты в недавних экспериментах, но микроскопический механизм ещё нужно описать расчётами и новыми измерениями.

Результат интересен не обещанием быстрых устройств на графите, а самой управляемостью системы. Один и тот же углеродный материал, знакомый по карандашам и графитовым электродам, при толщине в несколько атомов превращается в площадку для сложной квантовой физики. Напряжением, плотностью электронов и направлением магнитного поля можно переключать сверхпроводящие режимы и смотреть, как рождаются состояния, которых почти не встретишь в обычных материалах.

До практических сверхпроводников на основе ромбоэдрического графена ещё далеко. Температуры в опытах измеряются десятками милликельвинов, то есть долями градуса выше абсолютного нуля. Но работа расширяет набор систем, где можно искать нестандартную сверхпроводимость. Для физиков такой графен ценен как чистая и управляемая модель: простой углеродный кристалл показывает сразу несколько способов провести ток без сопротивления и не сдаться магнитному полю.