Физики Массачусетского технологического института (MIT) представили самое убедительное на сегодня свидетельство нетрадиционной сверхпроводимости в структуре под названием «magic-angle twisted tri-layer graphene» (MATTG) — трёхслойном графене, в котором атомно тонкие слои повернуты друг относительно друга на точно заданный «магический» угол.

Сверхпроводники проводят ток без сопротивления и потерь энергии, но известные практические материалы требуют сверхнизких температур и сложного охлаждения. В MATTG учёные увидели чёткий признак иного механизма: особый вид энергетического зазора, связанного с образованием пар электронов в сверхпроводящем состоянии. Этот «сверхпроводящий зазор» описывает, насколько прочно связаны электроны, и меняется с температурой и магнитным полем. Именно его форма позволяет судить о природе сверхпроводимости.

Команда MIT разработала экспериментальную платформу, которая объединяет туннельную спектроскопию и измерения электрического транспорта — регистрацию сопротивления и прохождения тока через образец. Туннельная спектроскопия использует квантовый эффект туннелирования: электроны ведут себя как частицы и волны и могут «просачиваться» через потенциальные барьеры. По тому, как легко они это делают, можно судить об их энергетическом состоянии и прочности связей. В новом устройстве учёные одновременно фиксировали исчезновение электрического сопротивления (признак сверхпроводимости) и появление соответствующего зазора в спектре.

В MATTG сверхпроводящий туннельный зазор возникал только тогда, когда сопротивление падало до нуля, что напрямую связывает наблюдаемый эффект со сверхпроводящим состоянием. При изменении температуры и магнитного поля форма зазора приобрела чёткий V-образный профиль — в отличие от более «плоского» и сглаженного зазора, характерного для обычных сверхпроводников, в которых пары электронов образуются под действием колебаний кристаллической решётки.

Такой V-образный зазор указывает на «узловую» структуру сверхпроводящего состояния: существуют направления, в которых зазор обращается в ноль. Авторы работы связывают это с тем, что в MATTG пары электронов формируются за счёт сильных электрон-электронных взаимодействий, а не за счёт колебаний атомной решётки. Соавтор работы Шувэн Сун (Shuwen Sun) отмечает, что форма сверхпроводящего зазора даёт ключ к пониманию механизмов, которые могут привести к материалам, работающим при более высоких, технологически удобных температурах. Руководитель группы Пабло Харильо-Эрреро (Pablo Jarillo-Herrero) подчёркивает, что глубокое понимание одного нетрадиционного сверхпроводника может подсказать принципы для разработки других, вплоть до сверхпроводников, способных функционировать при комнатной температуре.

Открытие опирается на предыдущее десятилетие работ по «твистронике» — направлению, изучающему электронные свойства ультратонких материалов, сложенных под точными углами. В 2018 году группа Харильо-Эрреро первой показала необычные квантовые эффекты в двухслойном графене с магическим углом, что запустило бурное развитие этой области. Новый результат переходит от косвенных признаков к прямому спектральному свидетельству необычной сверхпроводимости в многослойной графеновой системе.

Авторы планируют использовать разработанную платформу для изучения других «скрученных» и слоистых материалов. По их словам, комбинация туннельной спектроскопии и транспортных измерений в одном и том же образце позволяет напрямую прослеживать, как в реальном времени формируются и конкурируют разные квантовые фазы — от сверхпроводимости до других упорядоченных состояний. Это даёт физикам более точный инструмент для проверки теорий и рационального проектирования новых квантовых материалов.

Работа надёжно фиксирует нетрадиционный тип сверхпроводимости в контролируемой, настраиваемой системе и предоставляет методику для его подробного изучения. Теперь физики лучше понимают, на какие электронные механизмы опираться и как с помощью «настройки угла» и структуры слоёв направленно конструировать материалы для будущих энергоэффективных технологий и квантовых устройств.