[Перевод] Новый поворот и секреты сверхпроводимости
Скирмионы возникают в результате коллективного поведения множества электронов, но ведут себя как отдельные частицы.
Последние три года электроны «устраивали» физикам игры.
Игра началась в 2018 году, когда лаборатория Пабло Харильо-Эрреро объявила о находке десятилетия: когда исследователи сложили один слой атомов углерода поверх другого, применили «волшебный» поворот на 1,1 градуса между ними, а затем охладили атомные пластины почти до абсолютного нуля, тогда образец стал идеальным проводником электронов.
Как частицы сговорились безупречно скользить через листы графена? Калейдоскопический «муар», создаваемый углом наклона, казался значительным результатом, но никто не был в этом уверен. Чтобы выяснить это, исследователи начали складывать и скручивать (поворачивать) любой материал, который попадался им в руки.
Сначала электроны подыгрывали. Череда экспериментов показала, что во множестве плоских материалов низкие температуры вызывают резкое падение электрического сопротивления. Казалось, что уже лучше понимаются условия, необходимые для идеальной проводимости, а, значит, и был близок тот манящий шаг навстречу революции в электронике.
«Было ощущение, что сверхпроводимость просто повсюду, — сказал Мэтью Янковиц, физик, специалист по вопросам конденсированной среды из Вашингтонского университета, — независимо от того, на какую систему смотреть».
Но электроны вдруг «надели маску ложной скромности». По мере того, как исследователи изучали образцы более тщательно, случаи сверхпроводимости исчезли. В некоторых материалах сопротивление фактически не снижалось до нуля. В различных исследуемых образцах были противоречивые результаты. Только в исходном двухслойном графене электроны действительно перемещались без «сопротивления» в большинстве случаев.
«У нас был целый «зоопарк» из разных скрученных материалов, и скрученный двухслойный графен был единственным сверхпроводником», — сказал Янковиц.
Затем, за последний месяц в двух статьях, опубликованных в журналах «Nature» и «Science», был описан еще один сверхпроводник, трехслойный графеновый «сэндвич» с двумя ровными наружными, «хлебными», листами и листом-начинкой, повернутым на 1,56 градуса.
Безошибочная способность переносить электроны скрученного трехслойного графена подтверждает, что система из двух пластин не была случайностью. «Он был первым из семейства муаровых сверхпроводников, — сказал Харильо-Эрреро, физик из Массачусетского технологического института, который также руководил одним из новых экспериментов, а это второй член этого семейства».
Самуэль Веласко / Quanta Magazine; Источник: любезно предоставлено Пабло Харильо-Эрреро
Когда сотовые решетки из листов графена сложены под небольшим углом друг к другу, они естественным образом формируют муаровый узор. В сверхпроводящем трехслойном графене верхний и нижний листы выровнены, а средний лист повернут на 1,56 градуса.
Важно отметить, что этот второй «брат» помог пролить свет на основной механизм, который может быть причиной сверхпроводимости этих материалов.
Спустя несколько месяцев после открытия 2018 года одна группа теоретиков начала ломать голову над механизмом, который сделал двухслойный графен сверхпроводником. Они подозревали, что одна конкретная геометрическая черта может позволить электронам закручиваться в экзотические водовороты, которые ведут себя совершенно новым образом. Этот механизм, который не похож ни на одну из (немногих) известных схем, отвечающих за сверхпроводимость, мог бы объяснить успех сверхпроводимости двухслойного графена, а также неудачи других материалов. Он также спрогнозировал, что трехслойный «брат» графена также будет сверхпроводником.
Но это оставалось лишь теорией, по крайней мере, до тех пор, пока лаборатории не смогли ее проверить. «Из того, что нам известно сейчас, это направление кажется захватывающим», — сказал Эслам Халаф, исследователь из Гарвардского университета, который помогал разрабатывать модель. «Не каждый день появляется новый способ получения сверхпроводимости».
Три чуда
В беспорядочном мире, где трение изобилует, а частицы никогда не остаются неподвижными, такое совершенное явление, как сверхпроводимость, не имеет права на существование. Тем не менее, обычные металлы, такие как ртуть, регулярно проявляют себя при низких температурах, как случайно обнаружила Хайке Камерлинг-Оннес в начале 20 века.
Секрет в том, что вблизи абсолютного нуля колебания в атомной решетке металла разбивают свободные электроны на пары. Эти пары взаимодействуют так, как отдельные электроны не могут взаимодействовать, образуя единую квантово-механическую «сверхтекучую среду», которая течет через материал без единого столкновения электронов с атомом (которые генерируют тепло и сопротивление). Первоначальная теория сверхпроводимости, разработанная еще в 1957 году, описывала ее как утончённый электронный «танец», который могут нарушить все, кроме самых идеальных сред. «Это своего рода чудо, что они вообще соединяются, потому что электроны очень сильно отталкивают друг друга», — сказал Ашвин Вишванат, физик-теоретик из Гарварда.
В 1986 году исследователи заметили электроны, совершившие второе чудо, на этот раз в семействе соединений меди, известных как купраты. Материалы каким-то образом могли сохранять сверхпроводимость на десятки градусов выше температуры, которая чаще разделяет обычные электронные пары. Казалось, действует новый механизм, который, вероятно, связан в основном с самими электронами, а не с их атомным каркасом.
Команда Ашвина Вишваната придумала способ понять сверхпроводимость в графене, изучив его геометрическую структуру. Предоставлено Ашвином Вишванатом
Но после десятилетий интенсивного изучения исследователи до сих пор не уверены, как именно электроны в купратах управляют их сверхпроводящими способностями. Прогнозирование поведения электронных конгломератов включает в себя расчет грубой силы воздействия каждой частицы на каждую другую частицу — расчет, сложность которого возрастает по экспоненте с увеличением количества электронов. Чтобы понять даже крохотную частичку сверхпроводника, теоретикам необходимо понять поведение роя электронов, исчисляемого триллионами. Текущее моделирование может обрабатывать около десятка.
Экспериментаторы сейчас не в лучшем положении. Они могут выращивать новые кристаллы, меняя один атом на другой, проверять их свойства. Но материал не раскрывает, что делают электроны внутри. И исследователи не знают, как будет вести себя материал, до тех пор, пока они не изготовят его. «Никто не мог сказать, что я собирался сделать этот новый [купрат], — сказал Янковиц, — и предсказать, какой будет [температура, при которой он становится сверхпроводником]. Сейчас это до ужаса сложная задача».
Уникальные свойства скрученного двухслойного графена сделали его более прозрачным, чем купраты. Вместо того, чтобы создавать совершенно новое вещество, экспериментаторы могли изменять свойства графена всего лишь с помощью электрического поля, что сделало его, по мнению многих исследователей, «игровой площадкой» для сверхпроводимости.
«Это захватывающая задача и замечательная особенность скрученного двухслойного графена», — сказал Субир Сачдев, физик, специалист по вопросам конденсированной среды из Гарварда. «Это дает совершенно новый набор инструментов для исследования движения электронов».
Он также предлагал теоретическое руководство. Под магическим углом, равным 1,1 градусу, сотовые решетки графена соединяются таким образом, что обычно быстрые электроны двигаются медленно — физики описывают этот материал как «плоские полосы». Инертные электроны проводят больше времени вместе, что дает им возможность организоваться.
Но руководство было расплывчатым. Электроны в материалах с плоскими полосами могут общаться разными способами, и образование сверхпроводящих пар — лишь один из них. Исследователи сложили много атомных пластин под магическими углами, сглаживающими полосы, но сверхпроводящая молния не захотела быть пойманной в бутылку.
Казалось, они упускают что-то важное.
Вихревые скирмионы
В марте 2018 года, вскоре после открытия сверхпроводимости в скрученном графене, Вишванат и его коллеги попытались демистифицировать магический угол и понять, что может удерживать электроны вместе.
Написать теорию, полностью отражающую движение непослушных электронов в двухслойном графене, было невозможно, поэтому теоретики начали с представления частиц, которые вели себя немного лучше. Они рассматривали гексагональную решетку графена как две подрешетки треугольников. Когда электроны перемещаются от атома к атому, они обычно «прыгают» к атому на противоположной сетке. Иногда бунтарь перескакивает на атом в той же сетке.
Атомы углерода графена образуют плоскую гексагональную сетку. Исследователи делят эту сетку на две треугольные сетки, чтобы лучше моделировать движение электронов.
Вишванат и компания настаивали на том, что электроны всегда меняли сетку. Этот выбор сделал математически более чистым разделение гексагональной сетки на треугольные. А в двухслойном графене, с его двумя слоями, обнаружилась одна неясная особенность, которая в конечном итоге стала важной: электроны, будучи ограниченными таким образом, начали двигаться, как если бы они находились под влиянием магнитного поля. В частности, электроны в одной подрешетке, по-видимому, ощущали положительное магнитное поле, а электроны другой подрешетки — отрицательное. Теоретики этого не совсем осознавали, но ключ к новой теории сверхпроводимости лежал прямо на поверхности.
Когда в августе 2018 года была применена теория для получения магического угла 1,1 градуса в двухслойном графене, Вишванат и его коллеги начали наращивать количество слоев графена. Теория, которая изначально была разработана для двух слоев, применилась к новым структурам намного лучше, чем ожидалось. Они обнаружили, что могут вычислить магический угол для каждой последующей графеновой стопки с помощью простых соотношений, которые казались недоступными для увеличивающейся сложности более массивных систем.
«В физике конденсированного состояния вы особенно замечаете, что делаете что-то очень близкое к физической или даже практической реальности, но время от времени вы видите этот самый идеальный мир, который незримо скрывается позади», — сказал Вишванат.
По мере того, как группа проводила дальнейшие исследования, добавляя более реалистичные детали к теории, сверхпроводимость появилась, но совершенно по-новому. Возможно, образовывались не пары электронов, а потоки электронов, известные как скирмионы. Поскольку двухслойный графен состоит из двух слоев, он имеет четыре подрешетки, но эти подрешетки с одинаковым магнитным зарядом действуют как одна. Эффективные магнитные поля заставляют электроны, посещающие атомы в одной сетке, стремиться делать поверхность шероховатой, в то время как электроны на другой сетке стремятся делать её гладкой. Эта конфигурация может заблокировать электроны на месте, так что система ведет себя как изолятор. (Любопытно, что эксперименты с купратами и скрученным двухслойным графеном предполагают, что оба материала действуют как изоляторы непосредственно перед тем, как они становятся сверхпроводниками).
Но если вы нарушите баланс дополнительным зарядом, электроны на каждой подрешетке могут принять коллективный вихревой узор — скирмион — где вращающийся электрон в эпицентре бури делает поверхность шероховатой (либо сглаживает её), а его соседи сглаживаются спиралевидно.
Электроны в скрученном многослойном графене могут образовывать вихревые скирмионы — составные элементы, которые действуют как одна частица. Исследователи полагают, что скирмионы на противоположных треугольных подрешетках графена могут объединяться в пары, образуя базовую единицу, необходимую для сверхпроводимости.
Хотя тысячи электронов могут войти в скирмион графена, вихрь действует так, будто это одна частица с зарядом одного электрона. Возможно, вы ожидаете, что отрицательные скирмионы должны отталкиваться друг от друга, но квантово-механические правила, определяющие, как электроны «прыгают» между двумя подрешетками, на самом деле притягивают скирмионы на противоположных сетках вместе. Другими словами, они образуют пары электроноподобных зарядов — фундаментальное требование для сверхпроводимости.
Ключом к истории о скирмионах является поворотная симметрия на 180 градусов, которая определяет перенос электронов между треугольными подрешетками. Прямоугольник обладает такой же симметрией. Она есть и у шестиугольника, и у прямоугольной или шестиугольной решетки. Но складывание и скручивание листов чего угодно, кроме графена, ломает этот уклад. Наконец, Вишванат и его коллеги смогли объяснить, почему «зоопарк» скрученных решеток не смог стать сверхпроводником.
«Это был момент, когда все сошлось», — сказал Халаф.
Теория и графен
Харильо-Эрреро уже думал, что что-то хорошее может выйти из трёх слоёв. Электроны в материалах с плоскими полосами движутся достаточно медленно, чтобы частицы могли работать вместе, но сверхпроводимость может быть усилена за счет «диспергирующих» полос, по которым пары перемещаются легче. Для скрученного двухслойного графена характерно первое. Последнее утверждение характерно для однослойного графена. Объединение их вместе может дать нам лучшее из обоих миров.
Затем последовал прогноз группы Вишваната, что 1,5 градуса — это магический угол для создания сверхпроводящих скирмионов в трех слоях графена.
Помня об этих аргументах, лаборатория Харильо-Эрреро, а также лаборатория Филипа Кима в Гарварде приступили к созданию трехслойных стопок графеновых листов. Обе лаборатории увидели все, что предсказывали теоретики, и даже больше.
Лаборатория Пабло Харильо-Эрреро
Лаборатория Филипа Кима.
Источник фотографий: Брайс Викмарк; Элиза Гриннелл / Harvard SEAS
Если двухслойный графен является площадкой для сверхпроводимости, то трехслойный графен тогда настоящий праздник и фестиваль. Экспериментаторы могут не только точно настроить количество электронов в решетках, они также могут произвольно перемещать электроны между слоями с помощью второго электрического поля. Благодаря такой гибкости исследователи могут искать сверхпроводящие зоны наилучшего восприятия, заставляя электроны чувствовать, будто они движутся через двухслойную систему, однослойную систему или любое количество гибридных систем.
Используя эту беспрецедентную возможность настройки, лаборатории подтвердили, что, в отличие от других скрученных материалов, трехслойный графен проходит все испытания на сверхпроводимость. Они также обнаружили несколько косвенных указаний на то, что сверхпроводимость возникает необычным образом.
Во-первых, электроны очень хорошо взаимодействуют. В обычных сверхпроводниках, где кластеры атомов объединяют свободные электроны в пару, только 1 электрон из 100 000 присоединяется к сверхпроводящей сверхтекучей жидкости. В купратах участвует примерно 1 из 30 свободных электронов. Но в трехслойной системе, по оценкам исследователей, участвует каждый десятый.
Элементы в сверхпроводящих парах — будь то электроны или скирмионы — также находятся довольно близко друг к другу. Концы электронных пар в сверхохлажденном алюминии разнесены на расстояние, в 10 000 раз превышающее среднее расстояние между электронами, что напомиает суп из длинных спагетти. А в трехслойном графене сверхпроводящие пары сбиваются в кучу, как макароны, причем элементы находятся одинаково близко как к «напарнику», так и к «соседям».
Учитывая, насколько сложно узнать все происходящее внутри материала на субатомном уровне, еще слишком рано утверждать, что скирмионы обеспечивают сверхпроводимость в многослойном графене. Но для Халафа странное поведение, которое наблюдали Харильо-Эрреро и Ким, сходится с электронными вихрями.
В отличие от стандартных электронных пар, пары скирмионов плотно связываются для получения высокоэффективной сверхпроводимости. Составные объекты также крупны и близко расположенны.
А в стандартных металлах электроны, попадая в состояние, предполагающее выбор из множества возможных действий, приводят к сильной сверхпроводимости. Но когда исследователи предоставили такую свободу электронам в трехслойной системе, сверхпроводимость исчезла. По словам Халафа, это может объясняться тем, что возросшая свобода позволяет скирмионам разваливаться на части.
«Я не думаю, что можно однозначно считать этот сверхпроводник нетрадиционым», — отметил Кори Дин, физик в области конденсированного состояния вещества из Колумбийского университета. Но он добавил, что необычная реакция на возросшую свободу «определенно указывает в обратном направлении».
Если вращательная симметрия, которую выявили Вишванат и его коллеги, действительно имеет решающее значение для сверхпроводимости многослойного графена, материаловеды однажды смогут использовать этот факт, чтобы сориентироваться в поле из многих миллиардов возможных материалов и найти решетку, которая сможет удерживать электроны вместе в теплый день.
Заряды в скрученном графене слишком тонко распределены по гигантским муаровым ячейкам для сверхпроводимости при высоких температурах, но связь, удерживающая их вместе — будь то скирмионы или что-то еще — кажется прочной. Исследователи надеются, что дальнейшее изучение скрученного графена и теорий, объясняющих его необычные свойства, позволит объяснить его надежную сверхпроводимость и указать путь к решетке, которая может поглощать больше тепла.
«Если вы получите такой же эффект в масштабе атомов, то это будет действительно применимо», — сказал Сачдев. (я это опустила, обобщила)
