Добавь сайт в закладки! Инструкция по ссылке.
Скрученный трёхслойный графен пока не готов к практическому применению, но он помогает учёным разрабатывать инструменты для высокоточного исследования квантового мира.
Что, если бы материал толщиной всего в один атом мог раскрыть тайны сверхпроводимости и открыть путь к созданию мощных квантовых устройств? Именно такие перспективы сулит удивительное явление, обнаруженное в особым образом уложенных слоях графена.
При укладке с определённым углом поворота этот ультратонкий углеродный материал начинает проводить электричество с нулевым сопротивлением — свойство, которое учёные давно стремятся понять и контролировать. Однако настоящая загадка заключается в том, как именно это происходит.
Структура, известная как трёхслойный графен, скрученный под магическим углом (MATG; от англ. magic-angle twisted trilayer graphene), ведёт себя не так, как традиционные сверхпроводники. Она нарушает привычные правила, и никто до конца не понимает почему. Такую сверхпроводимость называют нетрадиционной, и её внутренний механизм годами ставил учёных в тупик.
Команда исследователей взялась за эту загадку, создав крошечные сверхпроводящие цепи на основе MATG. Их недавно опубликованное исследование проливает свет на поведение электронов в MATG и даёт ценную информацию о нетрадиционных сверхпроводниках. Авторы работы предполагают, что это может привести к разработке более совершенных квантовых технологий будущего.Первый в мире криогенный чип управляет кубитами при −273 градусах
Поворот графена для раскрытия квантовых тайн
В 2018 году группа исследователей озадачила научный мир, показав, что два слоя графена, скрученные под определённым углом (около 1.1 градуса), могут превращаться в сверхпроводник.
Это особое расположение, известное как «магический угол», вызвало сверхпроводимость в системе, которая обычно представляет собой просто плоский лист атомов углерода. Вдохновлённые этим открытием, авторы нового исследования решили выяснить, что произойдёт, если уложить и скрутить не два, а три слоя графена (то есть создать MATG).
Чтобы понять, как работает сверхпроводимость в этой системе, исследователи создали крошечные сверхпроводящие цепи, известные как джозефсоновские переходы (устройства, в которых два сверхпроводника разделены тонким слоем несверхпроводящего материала).
В своей установке учёные использовали стандартный сверхпроводник на обоих концах перехода, а в середину поместили стопку MATG. Если бы MATG вёл себя как обычный металл, такая схема называлась бы переходом S−N−S (S = сверхпроводник, N = нормальный металл). Однако, если бы MATG стал сверхпроводящим, получился бы так называемый переход S−S−S (где S — это исследуемый новый сверхпроводник).
Чтобы убедиться в сверхпроводимости MATG, команда не ограничилась измерением падения сопротивления. Одного этого было недостаточно, так как многие материалы могут демонстрировать низкое сопротивление, не являясь истинными сверхпроводниками.
Поэтому они проверили, выталкивает ли материал магнитные поля и реагирует ли на изменения тока как индуктор (а не как резистор).
В результате в MATG произошло образование куперовских пар (связанных пар электронов, обеспечивающих сверхпроводимость), что является отличительным признаком сверхпроводимости. Однако главным достижением их работы стало измерение так называемой кинетической индуктивности (показатель того, насколько медленно куперовские пары реагируют на изменения тока из-за своей инерции).
Команда обнаружила, что кинетическая индуктивность MATG почти в 50 раз выше, чем у большинства известных сверхпроводников. Это имеет огромное значение, поскольку высокая кинетическая индуктивность — именно то, что требуется в таких устройствах, как сверхчувствительные фотонные детекторы и сверхпроводящие кубиты (квантовые биты — основные элементы квантовых компьютеров), используемые в квантовых компьютерах.
Ещё более интригующим открытием стала чёткая обратная зависимость между кинетической индуктивностью и критическим током — максимальным током, который материал может проводить, оставаясь в сверхпроводящем состоянии.
Светлое будущее сверхпроводимости
Это исследование предоставляет новый набор инструментов для изучения механизма работы нетрадиционных сверхпроводников.
Например, оно показывает, что, точно измеряя, насколько легко движутся электронные пары и на какое расстояние они «растягиваются» в материале, можно расшифровать внутренний механизм, лежащий в основе сверхпроводимости в скрученном графене.
Однако существуют и ограничения. Трёхслойный скрученный графен, использованный в исследовании, не существует в природе; его необходимо тщательно собирать в лаборатории. Кроме того, он хрупок и подвержен структурным дефектам, что затрудняет его масштабирование для реальных применений.
Тем не менее исследование открывает новые пути для изучения других, более практичных материалов со схожими свойствами.
Теперь команда исследователей планирует проверить, как MATG ведёт себя в высокочастотных условиях, чтобы однажды его можно было использовать в квантовых схемах.
Поделись видео: