Сверхпроводимость — способность материалов проводить электричество с нулевым сопротивлением — является ценным научным сокровищем.
Исследователи обнаружили новую залежь этого экзотического явления, скрытую внутри особого вида ромбоэдрического графена.
Эта природная форма графена состоит из нескольких сверхтонких слоев, каждый из которых расположен под определенным углом относительно своих соседей.
Она является своего рода фаворитом среди ученых из-за своих необычных свойств.
В рамках этого нового набора открытий, опубликованных в журнале Nature, исследователи под руководством команды из Массачусетского технологического института (MIT) экспериментировали с ромбоэдрическим графеном, сложенным в четыре и пять слоев, манипулируя им для создания различной электронной плотности (контролируя конкретную форму, которую принимает сверхпроводимость).
Испытания при сверхнизких температурах не только показали, что графен может поддерживать множественные состояния сверхпроводимости (что само по себе является редчайшей редкостью), но и продемонстрировали, что некоторые из этих состояний фактически усиливаются при воздействии магнитных полей, которые обычно уничтожили бы сверхпроводимость.
«С точки зрения фундаментальной физики, это очень экзотично, что магнитное поле не убивает сверхпроводимость, а, наоборот, усиливает ее», — говорит физик Лонг Джу из MIT.
«Мы предоставили множество экспериментальных результатов и дали пищу для размышлений, которую люди могут усвоить, пытаясь понять, что здесь происходит».
Это не первый случай, когда члены этой команды обнаруживают нетрадиционные состояния сверхпроводимости в ромбоэдрическом графене; эта последняя работа добавляет еще три к их общему числу.
Сверхпроводники полагаются на то, что электроны объединяются в пары с другими электронами противоположных магнитных спинов (куперовские пары), а затем скользят по материалу без помех. Обычно добавление магнитного поля выравнивает спины этих электронов настолько, что разрывает пары и, соответственно, сверхпроводимость.
Но не в этом случае. Когда исследователи изменяли электронную плотность, а также силу и ориентацию магнитного поля, появлялись странные результаты.
В одном случае сверхпроводимость не возникала, пока не было включено магнитное поле. В двух других магнитное поле усиливало сверхпроводимость — по сути, делая ее более устойчивой и способной выживать в более широком диапазоне сценариев.
«Сверхпроводимость действительно усиливается, то есть температура перехода повышается с 55 милликельвинов, вероятно, до 90 милликельвинов», — говорит Джу.
«В то же время материал может выдержать еще 50 или 60 процентов дополнительного тока, прежде чем сверхпроводимость будет разрушена. И это очень необычно».
Следующий вопрос — почему эти сверхпроводящие состояния являются исключением из правил, когда дело доходит до магнитных полей, — и исследователи пока не уверены в ответе.
У них есть одна рабочая теория: в этих конкретных условиях электроны могут объединяться в пары с другими электронами, имеющими одинаковую ориентацию спина.
Магнитное поле все еще воздействует на электроны, но они уже выровнены одинаковым образом, что сохраняет их сверхпроводимость.
«Люди могут полагать, что это простой, скучный углеродный материал, но мы можем контролировать этот материал, настраивая определенные экспериментальные параметры, такие как электрическое напряжение», — говорит Джу.
«Вот как простой физический материал может демонстрировать так много различных сверхпроводящих свойств».
Далее исследователи хотят более детально изучить каждое сверхпроводящее состояние по отдельности, выясняя, как оно генерируется и как взаимодействует с магнитными полями (здесь использовались поля, в 180 000 раз превышающие магнитное поле Земли).
Стоит иметь в виду, что сверхпроводимость здесь по-прежнему требует сверхнизких температур и специфических лабораторных установок, но существуют потенциальные применения в области квантовых вычислений, например, для повышения стабильности notoriously нестабильных кубитов.
Однако это дело далекого будущего.
А пока что исследование является еще одним доказательством экзотических состояний, которые можно извлечь из природных материалов, таких как ромбоэдрический графен, с помощью нескольких настроек их свойств.
Связано: Ученые открыли новый класс квантовых состояний в графене
«Мы можем контролировать простейший химический и структурный материал — кристаллический углерод — и это часть удовольствия», — говорит физик Джунсок Со из MIT.
«Мы не просто имеем дело с тем, что дает нам природа, но и применяем дополнительные средства контроля, чтобы превратить это во что-то, чего природа нам не дает, но что может существовать в том же материале».
Исследование опубликовано в журнале Nature.
Эта статья была проверена на факты Клэр Уотсон и отредактирована Питером Докриллом. Хотя мы гордимся нашим процессом, мы всего лишь люди. Если вы заметили ошибку, пожалуйста, сообщите нам.
Статьи ScienceAlert пишутся, проверяются на факты и редактируются людьми, никогда не создаются искусственным интеллектом. Не пропустите ни одной истории, подпишитесь здесь.
Призрачное свечение атомной электростанции было обнаружено в воде на расстоянии 150 миль
Сознание может существовать в телах, не похожих на наши, утверждают исследователи
Физик создал в лаборатории «мини-вселенную», чтобы проверить, действительно ли существует время