Графен, материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, продолжает удивлять учёных своими необычными свойствами. Когда два листа графена складываются вместе и смещаются под небольшим углом, образуется скрученный двухслойный графен, который производит множество интересных эффектов, включая сверхпроводимость.

Исследователи из Корнеллского университета продвинулись в понимании того, как этот материал достигает состояния сверхпроводимости, определив его максимально достижимую температуру сверхпроводимости в 60 Кельвинов. Это открытие является математически точным, что редко встречается в этой области, и стимулирует новые идеи относительно факторов, контролирующих сверхпроводимость.

«Заглядывая вперёд, можно сказать, что это открывает путь к пониманию того, какие возможные степени свободы следует попытаться контролировать и оптимизировать, чтобы усилить тенденцию к сверхпроводимости в этих двумерных материальных платформах», — сказал Дебанджан Чоудхури, доцент кафедры физики имени Джойса А. Йеленчича Розевера и Фредерика М. Розевера в Колледже искусств и наук (A&S).

Чоудхури является соавтором исследования «Low-Energy Optical Sum-Rule in Moiré Graphene», опубликованного в Physical Review Letters.

«Взяв два слоя графена и установив их под углом 1,1 градуса, магическим углом, можно добиться поразительных эффектов. Один из таких эффектов заключается в том, что, просто изменяя электрическое поле, экспериментаторы могут превратить скрученный двухслойный графен либо в сверхпроводник, либо в изолятор, которые обладают совершенно разными электрическими свойствами», — сказал Чоудхури.

В 2023 году Чоудхури и второй автор Дэн Мао разработали новый теоретический формализм для вычисления максимально возможной температуры сверхпроводящего перехода в любом материале, полученном путём укладки и скручивания двумерных материалов. Для текущей работы они применили его к скрученному двухслойному графену.

«Они разработали эти строгие выражения в 2023 году, которые в то время можно было рассчитать только приблизительно. То, что мы попытались сделать здесь, — это точно рассчитать это в реалистичной модели скрученного двухслойного графена, что приводит к новому пониманию факторов, которые фундаментально контролируют сверхпроводимость», — сказал Мендес-Вальдеррама, соавтор нового исследования, в настоящее время работающий в Принстонском университете.

Сверхпроводимость — это явление, при котором электроны могут проходить через материал без потери энергии. В настоящее время этого можно достичь только при очень низких температурах. Скрученный двухслойный графен уникален тем, что движение каждого электрона строго скоординировано с каждым другим электроном, и температура перехода материала относительно высока по сравнению с собственными энергетическими масштабами.

«Одним из замечательных свойств скрученного двухслойного графена является связанная с ним настраиваемость. У вас есть беспрецедентный контроль над температурой и углом скручивания — крошечные электрические поля, которые применяются для переключения материала из состояния изолятора в состояние сверхпроводника, — что позволяет очень легко исследовать всевозможные захватывающие режимы в этом материале», — сказал Чоудхури.

Разработанную группой теоретическую основу можно будет в будущем применить и к другим материалам. «Мы думаем о других многообещающих комбинациях материалов, помимо скрученного двухслойного графена, чтобы выявить возможные сверхпроводники с более высокой температурой, а также пытаемся распространить эти идеи на другие желаемые оптоэлектронные свойства, которые можно измерить экспериментально», — сказал Мао.