сверхпроводимость графена

Представьте себе крошечную дыру в листе графена — один отсутствующий атом углерода. Раньше считалось, что молекула воды разрывается на этом дефекте только в одиночку, в сухом газе. Но если вокруг плещется жидкая вода, всё меняется.

На столе лежит кусок графита, выращенный из газа, как налёт на стенке реактора. Обычно такой материал не годится для превращения тепла в электричество: внутри него электроны и дырки бегут в разные стороны и гасят друг друга. Но если этот кусок поместить в магнитное поле и нагреть с одного края, заряды начинают двигаться в одну сторону, как толпа, которую регулировщик направляет в один выход.

Молекула триптицена напоминает трёхлучевую звезду с жёсткими лучами. Когда такие звёзды рассыпают по поверхности свинца, они сами складываются в узор, похожий на плетёную корзину: треугольники и шестиугольники чередуются, а в каждом узле сидит не одна звезда, а пара.

Ток в обычном металле течёт как толпа людей по прямой улице: каждый электрон — сам по себе, и если включить магнитное поле, вся толпа слегка сдвигается вбок. Этот сдвиг называют эффектом Холла. Но в «странных металлах» — материалах, где электроны ведут себя не как отдельные частицы, а как единое целое — картина ломается.

В узком коридоре люди идут не толпой, а рядами. Число рядов зависит от ширины прохода. В графене роль такого коридора играет квантовый точечный контакт — перетяжка, где электроны движутся баллистически, не рассеиваясь.

В тёмной комнате едва слышен шёпот. Чтобы разобрать слова, нужно подойти вплотную — или расставить много чувствительных микрофонов. Примерно так рассуждают авторы новой работы: они размещают квантовые «уши» прямо внутри резонатора, где высокочастотная гравитационная волна превращается в электромагнитное эхо.

Графен, лист углерода толщиной в один атом, ведёт себя как водная гладь — пока не появляется сверхпроводимость. Тогда по нему, словно круги от брошенного камня, расходятся необычные волны: пары электронов движутся без трения. Но в особом, хиральном состоянии эти волны закручены в одну сторону, как вода в сливе ванны.

Сверхпроводник обычно не дружит с магнитом: сильное поле разрушает состояние, в котором ток течёт без сопротивления. Но в тонких слоях углерода всё иначе.

Графен — двумерный кристалл углерода — долгое время манил физиков надеждой на высокотемпературную сверхпроводимость. Его электроны подчиняются релятивистскому уравнению Поля Дирака, несутся с огромной скоростью, почти не замечая друг друга.

Внутри кристалла разворачивается незримый балет: магнитные моменты атомов, словно танцоры, то выстраиваются в унисон, то рассыпаются в противофазе. Хореографию диктует квантовый обмен — музыка, чуткая к геометрии связей. Согласно правилам Гуденафа–Канамори–Андерсона, угол M–X–M между магнитным ионом, лигандом и соседним магнитным ионом определяет, смотрят ли спины в одну сторону или врассыпную.

Переключатель, который сам знает, куда течь. Так работает джозефсоновский диод — сверхпроводящий мостик, где ток в одну сторону идёт охотно, а в другую — упирается. В новой работе такой мостик сделали из графена — листа углерода толщиной в один атом. Эффект проявился, когда на устройство подали слабое магнитное поле — всего несколько миллитесла.

Два тонких, как бумага, листа полупроводника накладывают друг на друга и слегка поворачивают — градуса на три-четыре. Атомные решётки не совпадают, и возникает крупный узор — муар, похожий на рябь от двух стиральных досок, сдвинутых на малый угол. В этом узоре электроны движутся совсем не так, как в обычном кристалле.

Магнитное поле проникает в сверхпроводник не сплошным потоком, а тонкими нитями — вихрями. Обычно они отталкиваются и выстраиваются в ровную треугольную решётку, как поплавки на воде. Но в CaSb₂ всё пошло иначе: вихри сбились в тесные кучи, а между ними — почти пусто. Каждый вихрь — это крошечная трубка, где сверхпроводимость разрушена, а внутри течёт незатухающий ток.

Кристалл — как город: если улицы кривые, движение застревает. В кристалле роль улиц играют атомные ряды, а движение — это поток электронов. Малейшая неровность, примесь или смещение атома заставляет электроны рассеиваться. Учёные из нескольких лабораторий научились выращивать кристаллы так, что «улицы» стали почти идеально прямыми. Метод называется горизонтальный перенос вещества.

Ткань, которая тянется только вдоль, но не поперёк. Примерно так устроен полудираковский материал: в нём электроны могут свободно двигаться в одном направлении, а в другом — почти не сдвигаются с места. Из-за этой необычной анизотропии на краях двумерного кристалла возникают особые дорожки — одномерные каналы. По ним электроны бегут только вдоль периметра, словно вода по жёлобу.

Лист графена — это сетка из атомов углерода толщиной в один атом. Если сложить несколько таких листов с особым сдвигом, получится материал с необычными свойствами: он может быть магнитом или сверхпроводником в зависимости от того, как на него подействовать.

Карбид кремния — материал, из которого делают броню для электроники. Он выдерживает жару, удары и радиацию, как керамическая плитка на днище космического корабля. Но даже у такой брони есть слабое место: обычные металлические контакты быстро портятся под рентгеном. В новой работе контакт заменили слоем графена — углеродной плёнки толщиной в один атом.

Лист графена толщиной в один атом подвешен в воздухе, как натянутая простыня. По нему бегут волны тепла — колебания атомов, которые физики называют фононами. Раньше считалось, что эти волны быстро рассеиваются из-за сильного взаимодействия, и тепло передаётся плохо. Но эксперименты показывали обратное: тепло идёт лучше, чем по старым расчётам.

Лист графена — это сетка из атомов углерода толщиной в один атом. На нём видны малейшие загрязнения, как пылинки на стекле очков. Десять лет назад графен научились прятать между слоями нитрида бора — это как положить хрупкий лист между двумя кусками пищевой плёнки.

Лист графена — углеродная сетка толщиной в один атом — под лучом мощного лазера ведёт себя как дорога, на которой вдруг появляется шлагбаум. Электроны, свободно бежавшие по материалу, натыкаются на запрещённую зону: промежуток энергий, который им не перепрыгнуть. Раньше такое предсказывали в теории, но увидеть своими глазами не удавалось.

Лист графена толщиной в один атом — как гибкая металлическая сетка, по которой электроны носятся почти без препятствий. Сложите два таких листа с небольшим сдвигом, и свойства материала резко меняются: он может стать изолятором, не пропускающим ток.

Тонкий лист графина толщиной в несколько микрометров поместили в слабое магнитное поле — и он начал выталкивать его из себя, как губка выталкивает воду, если её сжать. Этот эффект, известный как эффект Мейснера, — фирменный признак сверхпроводника: материала, который проводит ток без потерь.

Лист графена толщиной в один атом скручивают под небольшим углом, и он начинает вести себя как слоёный пирог, где слои слегка повёрнуты друг относительно друга. При определённом угле поворота этот материал становится сверхпроводником: электроны начинают двигаться парами, как танцоры в вальсе, не теряя энергии. Но что именно происходит внутри, до сих пор оставалось загадкой.

Сверхпроводящие схемы часто строят на переходах Джозефсона — местах, где ток течёт без сопротивления через тонкий барьер. Обычно таким барьером служит слой оксида, но его свойства трудно контролировать на наноуровне. В новой работе барьером становится тонкий слой нитрида ниобия или титана, зажатый между слоями ниобия.

Лист графена толщиной в один атом — как идеально ровная скатерть, по которой катятся электронные шарики. Поставьте на пути этих шариков электрический барьер — и обычно они отскочат назад. Но в графене всё иначе: при некоторых условиях электроны проходят сквозь барьер, даже не заметив его, словно стена из тумана.

Превращение лёгких газов, таких как водород и азот, в металлическое состояние — давняя мечта физиков, уходящая корнями в предсказания о поведении вещества при экстремальных давлениях.

Двумерный висмут на кремниевой подложке — перспективный материал для электроники будущего. Его края проводят ток без потерь, как скоростная магистраль без светофоров. Но сам висмут нежный: воздух и влага быстро портят его свойства. Химики нашли выход: они поместили висмут под слой графена — прочной углеродной плёнки толщиной в один атом.

Кусок золота не притягивает скрепки. Но если взять тонкую плёнку из сплава гадолиния, золота и германия и начать её изгибать, в ней могут появиться магнитные области. Учёные сделали это не руками, а с помощью потока ионов гелия, который проникал в материал через узорчатую маску. Ионы гелия врезались в кристаллическую решётку и слегка растягивали её в одних местах сильнее, чем в других.

Обычный сверхпроводник и магнитное поле — как вода и огонь: поле разрывает пары электронов, которые переносят ток без сопротивления. Но стоит вместо сплошной плёнки взять россыпь мельчайших алюминиевых крупинок, каждая из которых покрыта тонким слоем оксида, и ситуация меняется.

Тончайший лист углерода толщиной в один атом помещают в сильное магнитное поле и охлаждают до тысячных долей градуса выше абсолютного нуля. Микроволновый микроскоп скользит вдоль кромки листа и измеряет, насколько хорошо этот край проводит электричество. При нейтральном заряде, когда электронов и дырок поровну, край ведёт себя не так, как середина листа.

Кристалл — как идеально выложенная мозаика из атомов. Но вырастить такую мозаику — задача со звёздочкой: чуть сбился порядок, и появляются «швы» — границы, где ряды атомов не совпадают. Для обычной электроники это мелочь, а для квантового компьютера — катастрофа. Квантовый бит (кубит) хранит информацию в нежном состоянии, которое разрушается от малейшего беспорядка в материале.

Слоистые кристаллы купратов напоминают стопку блинов: каждый блин — плоскость из атомов меди и кислорода, а между ними — прослойки других элементов. Обычно сверхпроводимость изучают на всей стопке, где слои влияют друг на друга.

Сверхпроводник — это материал, где электрический ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но если в нём возникают вихри, ток начинает «спотыкаться» об эти крошечные завихрения. В графене, скрученном под особым углом, такие вихри можно создавать и изучать по одному. Учёные собрали устройство, похожее на узкий мостик между двумя сверхпроводящими берегами.

Графеновая лента шириной в девять атомов — это дорожка, по которой электроны бегут, как вода по узкому жёлобу. Гамма-излучение — поток частиц с огромной энергией, способный пробить металл и пластик. Когда такой поток попадает в ленту, он не ломает её, а лишь слегка царапает поверхность, оставляя на ней лишние атомы кислорода.

Графен — углеродная плёнка толщиной в один атом, превосходный проводник. Однако его поверхность от природы морщиниста, словно неразглаженная скатерть. Учёные сконструировали «сэндвич»: два таких листа плотно прижаты друг к другу через диэлектрическую прокладку, не пропускающую электрический ток.

Обычный провод на высоких частотах похож на дорогу с ямами: сигнал прыгает, часть энергии уходит в тепло. Сверхпроводящая цепочка из алюминия и арсенида индия (полупроводника) оказалась гладкой трассой для микроволн. В цепочке много одинаковых звеньев — джозефсоновских контактов, где ток течёт без сопротивления благодаря квантовым парам электронов.

В обычном сверхпроводнике электроны объединяются в пары, которые стоят на месте — их общий импульс равен нулю. Но бывает иначе: пары получают общий импульс и начинают двигаться, как стайка рыб, плывущая против течения. Такое состояние называют волной пар, и оно очень капризное — нужны особые условия.

Графен — это лист углерода толщиной в один атом. Если нарезать его на узкие полоски, получатся графеновые наноленты. Их свойства зависят от того, как именно полоска скроена: словно из одного куска ткани можно сшить и гладкую скатерть, и складчатую юбку. В новой работе химики собрали ленту несимметричной формы.

Гелий на графите ведёт себя как акробат, который одновременно скользит по канату и держит форму. При температурах в 30 милликельвинов (это в сто раз холоднее, чем в открытом космосе) второй слой гелия на графите приобрёл новые свойства: он стал течь без трения и при этом сопротивляться сжатию, как густой мёд.

Лист германана толщиной в один атом лежит на куске германия — и ток бежит по нему, как по автостраде без светофоров. Германан — это плоская решётка из атомов германия, покрытая водородом, родственник графена.