В обычных проводящих материалах электроны перемещаются хаотично, отскакивая от атомной решетки. Каждый раз, когда электрон отлетает от атома, он встречает некоторое сопротивление и в результате теряет часть энергии. Напротив, когда некоторые материалы охлаждаются до сверхнизких температур, они становятся сверхпроводящими, то есть электроны в нем объединяются в так называемые «куперовские пары». Вместо того чтобы рассеиваться, эти пары движутся, не встречая сопротивления и не теряя энергии.
Другое свойство было впервые обнаружено в 1933 году физиком Вальтером Мейснером. Оказывается, сверхпроводник отталкивает внешнее магнитное поле. Этот «эффект Мейснера» отчасти обусловлен электронными парами сверхпроводника. С тех пор ученые предполагали, что все сверхпроводящие материалы должны демонстрировать как нулевое электрическое сопротивление, так и магнитное отталкивание.
Изучая электрические свойства пятислойного ромбоэдрического графена, ученые из Массачусетского технологического института заметили удивительное явление возникновения так называемых дробных зарядов. Это происходит, когда пятислойная структура помещается поверх листа гексагонального нитрида бора (материала, похожего на графен) и слегка смещается под определенным углом, создавая муаровый узор.
Заинтересовавшись этим явлением, они продолжили эксперименты и обнаружили, что повернув оба материала и пропустив сквозь них электрический ток при температуре менее 300 мК, приборы регистрируют нулевое сопротивление. Выглядело так, как будто дробность заряда исчезла, и вместо нее возникла сверхпроводимость, сообщает MIT News.
Тогда ученые пошли еще дальше, желая понять, как это новое сверхпроводящее состояние будет реагировать на внешнее магнитное поле. Когда они меняли магнитное поле с отрицательного на положительное и обратно, они заметили, что материал сохранял свое сверхпроводящее состояние с нулевым сопротивлением, за исключением двух случаев, по одному на каждую полярность: в них сопротивление на короткое время резко возрастало, прежде чем снова вернуться к нулю, в сверхпроводящее состояние.
«Если бы это был обычный сверхпроводник, он бы просто оставался с нулевым сопротивлением, пока магнитное поле не достигнет критической точки, где сверхпроводимость пропадет, — сказал Зак Хаджри, один из исследователей. — Вместо этого этот материал, похоже, переключается между двумя сверхпроводящими состояниями, как магнит, который сначала направлен вверх, но может повернуться вниз, если применить магнитное поле. Так что похоже, это сверхпроводник, который ведет себя, как магнит. Бессмыслица какая-то!»
Каким бы нелогичным это ни казалось, команда наблюдала то же явление в шести похожих образцах. Они подозревают, что оно возникает из-за уникальной конфигурации ромбоэдрического графена. Этот материал имеет очень простую структуру атомов углерода. При охлаждении до сверхнизких температур тепловые колебания сводятся к минимуму. Это позволяет электронам замедляться, чувствовать друг друга и взаимодействовать на квантовом уровне.
Такие квантовые взаимодействия могут привести к тому, что электроны объединятся в пары и станут сверхпроводниками. Помимо этого, они могут коллективно занимать одно из двух противоположных состояний импульса, или «долин». Когда все электроны находятся в одной долине, они вращаются в одном направлении. В обычных сверхпроводниках электроны могут занимать любую долину, и каждая пара электронов обычно состоит из электронов противоположных долин, которые компенсируют друг друга. Тогда пара в целом имеет нулевой импульс и не вращается.
Однако в структуре ромбоэдрического графена, как подозревают ученые, все электроны имеют общую долину. Объединяясь в сверхпроводящие пары, такие электроны будут иметь ненулевой импульс и вращение, которое, в совокупности с другими парами, может порождать внутренний сверхпроводящий магнетизм.
«Мы полагаем, что впервые наблюдали сверхпроводник, который ведет себя как магнит из-за орбитального движения электронов, который называют хиральным сверхпроводником. Единственный в своем роде. Также он может быть топологическим сверхпроводником, который может обеспечить надежные квантовые вычисления», — пояснил Хань Тунгхан.
