Сверхпроводимость закрученного двухслойного графена объяснили необычной структурой его электронных зон

Физики из США и Японии получили образец двухслойного графена, угол между слоями которого оказался рекордно близок к магическому. Исследования его сверхпроводимости показали, что она не согласуется с представлениями теории  Бардина — Купера — Шриффера (БКШ) для традиционных сверхпроводников. Авторы статьи в Nature утверждают, что за сверхпроводимостью двухслойного графена стоит необычная геометрия волновых функций электронов и структура электронных зон.

В 2011 году физики-теоретики из США показали, что если взять двухслойный графен, и повернуть один из слоев на небольшой угол около одного градуса, то структура его электронных зон резко меняется. Конусы Дирака (которыми можно описать электронные зоны в неповернутом двухслойном графене) при таком повороте как бы схлопываются, образуя плоскость, отделенную от соседних зон.

Тогда угол в 1,1 градуса стали называть магическим, а ученые начали находить необычные свойства у такого немного смещенного двухслойного графена. Эти поиски привели к тому, что в 2018 году физики из США под руководством Пабло Харильо-Эрреро (Pablo Jarillo-Herrero) выяснили, что если охладить повернутый на магический угол двухслойный графен до температуры, близкой к абсолютному нулю, он становится сверхпроводником. И уже тогда ученые заметили, что сверхпроводимость двухслойного графена не похожа на обычную сверхпроводимость, которую принято описывать теорией БКШ.

Это же показали и физики под руководством Марка Бократа (Marc Bockrath) из Университета штата Огайо. Они получили образец двухслойного графена с углом поворота в 1,08 градуса с помощью осаждения графеновых хлопьев на кремниевую подложку, а затем исследовали его проводимость. Ученые выяснили, что скорость Ферми (она соответствует энергии Ферми) переносчиков заряда в их образце равна примерно 1000 метров в секунду – то есть, на три порядка меньше, чем в обычном графене, и меньше, чем в образцах двухслойного графена, изученных другими учеными. Такую низкую скорость переносчиков заряда авторы статьи связали с тем, что в их образце угол поворота между слоями оказался максимально близок к магическому.

Далее физики попробовали обсчитать полученные данные с помощью теории БКШ. Так, рассчитанная критическая температура, при которой сопротивление сверхпроводника возрастает до значения в 20 процентов от сопротивления в несверхпроводящем состоянии, составила около 0,05 Кельвина. При этом экспериментальное значение, полученное авторами, составляло 2,2 Кельвина. Значения нескольких других параметров, например, длины когерентности сверхпроводника, также не совпали с экспериментальными. Так ученые убедились, что теория БКШ не справляется с описанием сверхпроводимости в двухслойном графене. И хотя ранее другие группы физиков уже высказывали аналогичное мнение, доказательство, основанное на изучении образца двухслойного графена с более близким к магическому углом поворота, внесло дополнительную ясность.

Далее ученые попробовали оценить критическую плотность тока в сверхпроводнике, предположив, что она ограничена в первую очередь очень низкой скоростью переносчиков заряда, характерной именно для двухслойного графена, а не условием распаривания (оно работает в традиционных сверхпроводниках). Полученные в результате такого расчета критическая плотность тока и сверхтекучая жесткость намного лучше совпали с экспериментом. Поэтому физики сделали вывод, что сверхпроводимость двухслойного графена объясняется необычной структурой его электронных зон и волновых функций, которая приводит к очень низкой скорости переносчиков заряда, нехарактерной для обычных сверхпроводников.

Так авторы статьи попробовали теоретически описать сверхпроводимость в двухслойном графене. В статье они утверждают, что их описание очень далеко от полного, и теория сверхпроводимости графена будет развиваться дальше.

А подробно изучить историю открытия и исследований двухслойного графена можно в нашем материале «Тонко закручено».