В графене обнаружен новый тип нетрадиционной сверхпроводимости, обещающий произвести революцию в энергетике и технологиях.

Сверхпроводящие материалы сегодня используются для питания самых разных устройств, от аппаратов МРТ до ускорителей частиц, но у них есть ограничения, такие как необходимость в экстремально низких температурах. Теперь группа учёных предприняла новые шаги для их преодоления.

Исследование основано на наблюдениях за разновидностью графена — чрезвычайно тонким, прочным, гибким и легким двумерным материалом из атомов углерода, свойства которого делают его уникальным.

Подробности опубликованы в журнале Science в статье, подготовленной физиками из Массачусетского технологического института (MIT) в США. Сверхпроводники подобны экспрессам.

Любой электрический ток, «поднимающийся» к одному из этих материалов, может пройти сквозь него, не задерживаясь и не теряя энергию на пути. Именно поэтому они чрезвычайно энергоэффективны.

Однако обычные из них имеют ограниченное применение, поскольку для поддержания их в сверхпроводящем состоянии их необходимо охлаждать до сверхнизких температур с использованием сложных систем охлаждения.

Если бы они могли работать при более высоких температурах, близких к температуре окружающей среды, это открыло бы двери в новый мир технологий: от электрических кабелей и энергосетей без потерь энергии до практических квантовых вычислительных систем, говорится в заявлении Массачусетского технологического института.

Поэтому учёные из различных центров изучают нетрадиционные сверхпроводники — материалы, обладающие сверхпроводимостью иными, потенциально более перспективными свойствами, чем существующие. Именно это и описано в журнале Science в этот четверг: «многообещающее достижение», по словам авторов.

В частности, исследователи сообщают о новых доказательствах нетрадиционной сверхпроводимости в разновидности графена, называемой «магическим углом», скрученным трехслойным графеном.

Этот материал изготавливается путём укладки трёх листов графена толщиной в один атом под определённым углом, или скручиванием, что позволяет проявлять экзотические свойства. Этот материал уже демонстрировал косвенные признаки нетрадиционной сверхпроводимости и других необычных электронных свойств в прошлом.

Новое открытие является самым прямым на сегодняшний день подтверждением того, что этот материал проявляет необычную сверхпроводимость, подытоживают в Массачусетском технологическом институте. Графен был выделен 18 лет назад россиянами Андреем Геймом и Константином Новосёловым, получившими Нобелевскую премию по физике в 2010 году.

Невероятные свойства графена были представлены в виде одного слоя материала, но с течением лет научное сообщество поняло, что качества могут меняться, если положить один лист на другой.

В 2010 году был опубликован ряд теоретических статей, в которых утверждалось, что если в дополнение к размещению двух слоев повернуть их на небольшой угол, то электронные свойства существенно изменятся.

В Массачусетском технологическом институте под руководством испанца Пабло Харильо-Эрреро, который также является соавтором сегодняшней статьи, они начали работать со скрученным двухслойным графеном, изначально используя повороты на большие углы, которые также приводят к привлекательным изменениям свойств, а затем на малые углы, что преподнесло сюрприз.

Первые интересные результаты появились в 2016 году, но лишь в 2018 году были обнаружены два ранее не предсказанных ранее свойства графена, закрученного под магическим углом (так стали называть этот малый угол закручивания). Новый вариант графена мог стать одновременно изолятором и сверхпроводником, переключаясь между этими двумя свойствами. Эти открытия положили начало совершенно новому направлению, известному как «твистроника» (twistronics), где слово «twist» (закручивание) происходит от английского слова «twist» (крутка).

Новое исследование, опубликованное в журнале Science, представляет доказательства необычной сверхпроводимости в одном из этих графеновых листов, но на этот раз трёхслойном. В частности, учёным удалось измерить так называемую «сверхпроводящую щель» — свойство, описывающее сопротивление материала переходу в сверхпроводящее состояние при определённых температурах.

Они обнаружили, что сверхпроводящая щель сильно отличается от щели типичных сверхпроводников, а это значит, что механизм, посредством которого материал становится сверхпроводящим, также должен быть иным и нетрадиционным.

Исследователи сделали свое открытие, используя новую экспериментальную платформу, которая, по сути, позволяет им наблюдать сверхпроводящую щель по мере возникновения сверхпроводимости в двумерных материалах в режиме реального времени.

«Глубокое понимание одного необычного сверхпроводника может раскрыть наше понимание остальных», — резюмирует Харильо-Эрреро. «Это понимание может, например, помочь в разработке сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, что является своего рода Святым Граалем для всей этой области».