Графен — это уложенный в шестиугольную решетку один слой атомов углерода. Как и другие двухмерные материалы, он проявляет неожиданные электронные, магнитные, тепловые и физические свойства. А когда два или более слоев графена накладываются друг на друга и поворачиваются под строго определенными углами, в такой структуре могут внезапно возникать необычные и экзотические физические явления.

Команда ученых из Массачусетского технологического института исследовала особенности природных графеновых структур и открыла несколько лет назад неожиданные электронные свойства ромбоэдрического графена. Такая структура состоит из слоев, каждый из которых слегка смещен по отношению к соседнему, наподобие ступеней лестницы.

В предыдущих экспериментах исследователи добавляли в образец электроны, повышая электронную плотность, и наблюдали сверхпроводимость. В этот раз они пошли от обратного — стали аккуратно удалять электроны и измерять сопротивление.

В результате при определенных значениях плотности электронов в материале возникло целых четыре различных сверхпроводящих состояния.

Это само по себе редкость: обычно материал демонстрирует лишь один тип сверхпроводимости. Но главные сюрпризы ждали впереди, рассказывает MIT News.

В большинстве сверхпроводников магнитное поле разрушает спаренные состояния электронов (куперовские пары), разрывая их связь. Однако три из четырех обнаруженных состояний выдерживали поле до 9 тесла — в 180 тысяч раз сильнее земного. Более того, когда поле приложили перпендикулярно плоскости графена, сверхпроводимость не просто уцелела, а усилилась: критическая температура перехода поднялась с 55 до примерно 90 милликельвинов, и материал до нарушения сверхпроводимости выдерживал на 50–60% больший ток. С точки зрения физики, это «очень необычное» поведение, которое полностью противоречит стандартным представлениям.

Одна из гипотез исследователей заключается в том, что в ромбоэдрическом графене при определенной плотности электронов куперовские пары могут образовываться не с противоположными, а с параллельными спинами. В таком случае магнитное поле, воздействуя на оба электрона одинаково, не разрушает пару, а наоборот, стабилизирует ее. Это так называемая «триплетная» сверхпроводимость — крайне редкое явление.

Дальнейшие исследования, по словам ученых, должны помочь в создании сверхпроводников, устойчивых к магнитным полям, которые пригодятся для магнитов термоядерных реакторов или поездов на магнитной подушке.

Команда ученых из США обнаружила фундаментальную математическую аналогию между поведением электронов в графене и спиновыми волнами в специально сконструированных двумерных магнитных системах. Изготовив тонкую магнитную пленку с гексагональным узором отверстий, — как у графена — они выяснили, что магнитные «спиновые волны» следуют той же математической закономерности, что и электроны графена.