Гонка за идеальным сверхпроводником: учёные создали невозможный материал

В 2024 году за короткий период учёные обнаружили сразу три новых материала, демонстрирующих способность проводить электрический ток без сопротивления. Два открытия серьёзно пошатнули существующие представления о природе этого явления, а третье и вовсе оказалось настолько необычным , что не вписывается ни в одну современную теорию.

Профессор Гарвардского университета Ашвин Вишванат, не участвовавший в исследованиях, подчеркнул уникальность открытий: обнаруженная форма сверхпроводимости настолько необычна, что большинство специалистов считали её принципиально невозможной. Многие физики до сих пор с трудом верят в реальность полученных результатов.

История изучения сверхпроводимости началась в 1911 году, когда голландский учёный Хейке Камерлинг-Оннес впервые зафиксировал полное исчезновение электрического сопротивления в материале. С тех пор физиков мучает фундаментальный вопрос: каким образом электроны, переносящие электрический ток, умудряются образовывать пары, несмотря на то, что по всем законам природы они должны отталкиваться друг от друга?

Практическое значение сверхпроводимости трудно переоценить. Благодаря ему человечество получило магнитно-резонансные томографы и мощные ускорители частиц. Однако главная проблема в том, что все известные сверхпроводники работают только при очень низких температурах. Создание материала, способного проводить ток без потерь при комнатной температуре, могло бы произвести настоящую технологическую революцию, открыв путь к энергосетям без потерь и транспорту на магнитной левитации.

По словам профессора Вашингтонского университета Мэтью Янковица, недавние открытия одновременно углубили загадку и усилили оптимизм исследователей. У них якобы складывается впечатление, что сверхпроводимость в материалах встречается гораздо чаще, чем предполагалось ранее.

Все три новых сверхпроводника представляют собой устройства, собранные из плоских листов атомов.У конструкции беспрецедентная гибкость: материал можно переключать между проводящим, изолирующим и более экзотическими состояниями простым изменением электрического поля. По сути, учёные получили в руки инструмент современной алхимии, в несколько раз ускоряющий поиск новых сверхпроводников.

И всё больше наука склоняется к мысли, что существует множество различных механизмов, приводящих к возникновению сверхпроводимости. Некоторые проводят аналогию с полётом: подобно тому, как птицы, пчёлы и стрекозы используют разные конструкции крыльев для достижения одной цели, материалы могут использовать различные способы объединения электронов в пары.

Классическая теория сверхпроводимости, разработанная Джоном Бардином, Леоном Купером и Джоном Робертом Шриффером в 1957 году, объясняла наблюдения Камерлинг-Оннеса и другие примеры в сверххолодных металлах. Согласно их модели, при низких температурах колебания атомной решётки затихают, позволяя проявиться более тонким эффектам. Электроны слегка притягивают протоны решётки, создавая избыток положительного заряда. Деформация, называемая фононом, может притянуть второй электрон, образуя "куперовскую пару".

В 1980-х годах картина усложнилась после открытия кристаллов с содержанием меди - купратов, демонстрирующих сверхпроводимость при более высоких температурах, где атомные колебания должны разрушать фононный механизм. Учёным пришлось искать новые способы объяснения спаривания электронов.

Теоретики предположили, что в купратах и подобных материалах атомы расположены таким образом, что электроны замедляются. При неспешном движении у них появляется возможность взаимодействовать коллективно, создавая сложное электрическое поле, способствующее образованию пар вместо отталкивания. В случае купратов физики подозревают, что определённый характер перескока электронов между атомами способствует их спариванию, хотя механизмы работы других "нетрадиционных" сверхпроводников остаются загадкой.

Настоящий прорыв произошёл в 2018 году, когда физик Пабло Харильо-Эрреро из Массачусетского технологического института обнаружил удивительное явление. Он взял лист графена - двумерный кристалл из атомов углерода, расположенных в форме сот - повернул его точно на 1,1 градуса и наложил на другой лист графена. Получившаяся структура неожиданно продемонстрировала сверхпроводимость.

К тому времени учёные уже экспериментировали с двумерными материалами, получая разнообразные эффекты. Прикладывая электрические поля, они могли добавлять электроны в лист или создавать иллюзию сжатия атомной решётки. Манипулируя этими параметрами в одном устройстве, можно было воспроизводить поведение тысяч или даже миллионов потенциальных материалов. Среди этого множества возможностей Харильо-Эрреро нашёл новый сверхпроводник - графен под "магическим углом".

Через несколько лет команда из Калифорнии пошла дальше, обнаружив сверхпроводимость в трёхслойном графене без поворота. Физики до сих пор спорят о механизме спаривания электронов в этих случаях. Фононная теория объясняет часть наблюдений, но явно присутствует и какой-то новый механизм.

Затем был открыт новый метод исследования сверхпроводимости. Настраиваемые двумерные устройства избавили учёных от утомительного процесса проектирования, выращивания и тестирования новых кристаллов по одному. Теперь они могут быстро воспроизводить различные эффекты в одном устройстве и исследовать все возможности поведения частиц.

В 2020 году физик Кори Дин с коллегами из Колумбийского университета попробовали собрать стопку из другого двумерного кристалла - дихалькогенида переходного металла (TMD), представляющего собой сотовую структуру из двух типов атомов. При повороте слоёв на 5 градусов сопротивление резко падало почти до нуля, но полной сверхпроводимости достичь не удавалось.

Несмотря на то, что наблюдения были неокончательными, Лян Фу из MIT и Константин Шраде из Университета штата Луизиана предложили теоретическое объяснение. По их мнению, ключевую роль играет не фононный механизм, а особая структура материала. Поворот создаёт калейдоскопический "муаровый" узор с крупными шестиугольными ячейками, действующими как искусственные атомы. В такой среде электроны движутся достаточно медленно, чтобы их коллективные электрические взаимодействия определяли поведение.

После четырёх лет усовершенствования методов измерения электрического сопротивления при низких температурах группа Дина наконец добилась успеха. Собрав новое двухслойное устройство с поворотом на 5 градусов, они охладили его и добились настоящей сверхпроводимости. Результаты будут опубликованы позже в журнале Nature.

Параллельно с этим группа учёных из Корнельского университета под руководством Цзе Шаня и Кинь Фай Мака обнаружила ещё более странный вид сверхпроводимости в том же материале. В отличие от группы Дина, начинавшей с антиферромагнитного металла, корнельские физики получили сверхпроводимость из изолятора при угле поворота 3,5 градуса, просто меняя напряжённость электрического поля.

Самое поразительное открытие, о котором мы говорили в начале, сделала группа Лонга Джу из MIT, работая с четырёхслойным графеном. Они обнаружили "хиральную сверхпроводимость" - явление, существование которого считалось невозможным. В их устройстве сверхпроводимость то появлялась, то исчезала, но включение магнитного поля, которое обычно разрушает сверхпроводимость, наоборот, стабилизировало её.

Исследователи предполагают, что в их графеновых структурах электронные пары вращаются все в одном направлении - либо по часовой стрелке, либо против неё. Мерцание возникает, когда пары вращаются неоднородно, а магнитное поле выстраивает их в общем направлении. Такой материал называется "хиральным". Правда раньше считалось, что хиральность несовместима со сверхпроводимостью, поскольку она различает электроны, движущиеся влево и вправо.

Теоретики уже предложили несколько объяснений хиральной сверхпроводимости. Группа Фу в сентябре опубликовала следующую модель: сначала электроны выстраиваются в периодическую решётку, независимую от фоновых атомных ядер. Затем эта решётка деформируется, и её колебания спаривают электроны подобно фононам. Впрочем, сам Фу подчёркивает, что это лишь одна из возможностей.

Хотя физики пока не могут точно определить природу явления, они всё больше убеждаются в существовании множества различных механизмов. Электроны могут организовываться в самые разные структуры - от изоляторов до магнитных металлов и электронных кристаллов, и небольшие возмущения, похоже, способны подтолкнуть многие из этих материалов к образованию сверхпроводящих электронных пар.

Возможность прямого наблюдения за тем, что происходит, когда электроны добавляются в материал или ослабляется электрическое поле, позволяет быстро опробовать беспрецедентное количество "рецептов" и выявлять те, которые приводят к сверхпроводимости.