Физики соединили несовместимое — сверхпроводник и магнит

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) в США обнаружили в обычном графите уникальный сверхпроводник, который одновременно действует как магнит.

Традиционно считалось, что сверхпроводники и магниты несовместимы, поскольку сверхпроводники вытесняют магнитные поля. Однако открытие физиков MIT опровергает это утверждение. Обнаруженный в слоях графита хиральный сверхпроводник проводит электрический ток с нулевым сопротивлением и обладает магнитными свойствами.

Сверхпроводник обнаружили в ромбоэдрическом графене — особой форме графита с укладкой 4-5 слоев графена в виде «лестницы». Ученые изолировали микроскопические частицы ромбоэдрического графена от графита и подвергли ряду электрических испытаний. 

Оказалось, что при охлаждении этих частиц до около -273 °C материал становится сверхпроводящим. Также исследователи выяснили, что при изменении внешнего магнитного поля эти частицы могли осуществлять переход между двумя сверхпроводящими состояниями, как магнит, меняющий полярность.

Это означает, что сверхпроводник имеет собственный внутренний магнетизм. Такое поведение исследователи MIT наблюдали в 6 образцах. Оно не наблюдалось ни в одном другом сверхпроводящем материале. Критическое магнитное поле достигало 1,4 тесла — выше, чем у других графеновых сверхпроводников.

В традиционных проводящих материалах электроны совершают хаотичное движение, пролетая друг мимо друга, отскакивая от атомной решетки материала. Каждый раз, когда электрон рассеивается на атоме, он встречает определенное сопротивление и вследствие этого теряет часть энергии, преимущественно в виде тепла. Однако охлаждение некоторых материалов до сверхнизких температур делает их сверхпроводящими. В таких условиях электроны получают возможность объединяться в пары. Вместо того, чтобы рассеиваться, эти электронные пары скользят по материалу без сопротивления. Таким образом, в сверхпроводнике энергия не теряется во время перемещения.

В течение последних нескольких лет группа исследователей из MIT, Университета штата Флорида, Базельского университета в Швейцарии и Национального института материаловедения в Японии изучала электрические свойства пятислойного ромбоэдрического графена. Недавно они наблюдали, как эта структура позволила электронам разделяться на части самих себя. Это можно наблюдать, если пятислойный ромбоэдрический графен разместить на листе гексагонального нитрида бора и немного сместить под соответствующим углом. 

По мнению исследователей, объяснением уникальных свойств этого материала является его конфигурация. Он имеет чрезвычайно простое размещение атомов углерода. При охлаждении до сверхнизких температур тепловые колебания сводятся к минимуму, что замедляет электроны и позволяет им взаимодействовать. Электроны могут объединяться в пары и становиться сверхпроводниками. В этом материале электроны будто «вращаются» в одну сторону, как крошечные магниты, при этом двигаясь по особой траектории, которую ученые называют «долиной».

Когда все электроны находятся в одной долине, они эффективно вращаются в одном направлении, а не в противоположном. В обычных сверхпроводниках электроны могут занимать любую долину, и любая пара электронов обычно состоит из электронов противоположных долин, которые компенсируют друг друга. Тогда пара в целом имеет нулевой импульс и не вращается. 

Открытие может привести к созданию стабильных квантовых битов (кубитов), улучшенных МРТ-магнитов и энергоэффективной электроники, что снижает энергопотребление на 20-30%. Ученые планируют изучить, как повысить температуру сверхпроводимости и создать масштабируемые устройства.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature

Источник: SciTechDaily