Международная группа физиков обнаружила новые свойства сверхпроводимости и топологических состояний в ромбоэдрическом графене — особой разновидности графена, состоящей из нескольких слоёв атомов углерода, уложенных друг относительно друга по принципу ступенчатой лестницы. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics и могут оказаться важными для разработки будущих квантовых технологий.

Ромбоэдрический графен получают из природного графита. Его особенность заключается в том, что электроны при низких энергиях концентрируются почти исключительно на верхней и нижней поверхностях материала, тогда как внутри многослойной структуры зарядов практически нет.

Такая необычная конфигурация заставляет большое количество электронов взаимодействовать друг с другом в ограниченном пространстве. В результате возникают коллективные квантовые состояния, которые невозможно предсказать, рассматривая отдельные частицы по отдельности.

Авторы обнаружили, что сверхпроводимость в этом материале возникает непосредственно благодаря существованию двух поверхностей. Взаимодействие между этими двумя типами носителей приводит к формированию сверхпроводящего состояния.

Изображение сгенерировано: Nano Banana

По словам участников проекта, ромбоэдрический графен оказался особенно интересен тем, что в нём естественным образом проявляются квантовые эффекты, которые ранее наблюдались в более сложных и менее воспроизводимых системах. Это позволяет изучать фундаментальные механизмы возникновения необычных электронных состояний на гораздо более удобной платформе.

Помимо сверхпроводимости, физики зафиксировали в материале квантовый аномальный эффект Холла — редкое топологическое состояние, при котором электрический ток распространяется вдоль границ материала без сопротивления. Подобные состояния привлекают большое внимание из-за их потенциальной устойчивости к внешним помехам.

Особый интерес вызывает возможность объединить сверхпроводимость и топологические свойства в одной системе. Теоретические модели предсказывают, что при одновременном существовании этих двух явлений могут появляться майорановские нулевые моды — экзотические квантовые состояния, которые рассматриваются как один из наиболее перспективных кандидатов для создания отказоустойчивых квантовых компьютеров.

Такие состояния обладают встроенной защитой от локальных шумов и процессов декогеренции — главной проблемы современных квантовых вычислительных систем, из-за которой квантовая информация быстро разрушается.

Исследователи отмечают ещё одну важную особенность новой платформы. Ранее системы с двумя электронными слоями, разделёнными по вертикали, приходилось специально создавать при помощи сложных инженерных конструкций. В ромбоэдрическом графене аналогичная структура возникает естественным образом благодаря самому устройству материала.

По мнению соавтора открытия, доцента Киприана Левандовского (Cyprian Lewandowski), ромбоэдрический графен может сыграть для современной физики конденсированного состояния роль, сопоставимую с ролью жидкого гелия в XX веке. Именно эксперименты с гелием позволили сформировать многие современные представления о фазовых переходах и коллективном поведении вещества.

Хотя работа носит фундаментальный характер, одной из долгосрочных целей проекта остаётся перенос полученных результатов в область квантовой инженерии. Если необычное сочетание сверхпроводимости и топологических состояний удастся надёжно контролировать, то ромбоэдрический графен может стать основой для нового поколения квантовых устройств, датчиков и вычислительных систем.

iXBT прочитано 953 раза