Но так же, как и в случае с автомобильными бассейнами, то, насколько легко могут перемещаться электронные пары, зависит от ряда условий, включая плотность пар, которые движутся через материал. Эта "сверхтекучая жесткость", или легкость, с которой может протекать ток электронных пар, является ключевым показателем сверхпроводимости материала.

Физики из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета впервые напрямую измерили жесткость сверхтекучей среды в графене с "магическим углом" - материалах, которые изготавливаются из двух или более атомарно тонких листов графена, скрученных относительно друг друга под правильным углом, что обеспечивает множество исключительных свойств, включая нетрадиционную сверхпроводимость.

Эта сверхпроводимость делает графен с магическим углом наклона многообещающим строительным материалом для будущих устройств квантовых вычислений, но как именно этот материал становится сверхпроводящим, до конца не изучено. Знание сверхтекучей жесткости материала поможет ученым определить механизм сверхпроводимости графена с магическим углом наклона.

Измерения команды показывают, что сверхпроводимость графена под магическим углом в первую очередь определяется квантовой геометрией, которая относится к концептуальной "форме" квантовых состояний, которые могут существовать в данном материале.

Результаты, о которых сообщается в журнале Nature, представляют собой первый случай, когда ученые непосредственно измерили жесткость сверхтекучей среды в двумерном материале. Для этого команда разработала новый экспериментальный метод, который теперь может быть использован для проведения аналогичных измерений других двумерных сверхпроводящих материалов.

"Существует целое семейство двумерных сверхпроводников, которые ждут своего исследования, и мы на самом деле просто царапаем поверхность", - говорит соавтор исследования Джоэл Ванг, научный сотрудник Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института (RLE).

Соавторами исследования из главного кампуса Массачусетского технологического института и лаборатории Линкольна являются ведущий автор и бывший постдок RLE Миуко Танака, Тао Динь, Дэниел Родан-Легрейн, Самея Заман, Макс Хейс, Бхарат Каннан, Азиза Альманакли, Дэвид Ким, Бетани Недзельски, Кайл Серняк, Молли Шварц, Джеффри Гровер, Терри Орландо, Саймон Густавссон, Пабло Харилло-Эрреро и Уильям Д. Оливер, а также Кенджи Ватанабе и Такаши Танигути из Национального института материаловедения в Японии.

Волшебный резонанс

С момента своего открытия в 2004 году графен зарекомендовал себя как своего рода чудо-вещество. По сути, материал представляет собой лист графита толщиной в один атом, состоящий из точной решетки атомов углерода в виде проволочной сетки. Эта простая конфигурация может демонстрировать множество превосходных качеств с точки зрения прочности, долговечности и способности графена проводить электричество и тепло.

В 2018 году Харилло-Эрреро обнаружил, что когда два листа графена укладываются друг на друга под точным, "магическим" углом, скрученная структура, известная как двухслойный графен с магическим углом скручивания, или MATBG, проявляет совершенно новые свойства, включая сверхпроводимость, при которой электроны объединяются в пары, а не наоборот. чем отталкивать друг друга, как это происходит в повседневных материалах. Эти так называемые куперовские пары могут образовывать сверхтекучую жидкость, обладающую потенциалом сверхпроводимости, что означает, что они могут перемещаться по материалу в виде тока без усилий и трения.

"Но даже несмотря на то, что куперовские пары не имеют сопротивления, вы должны приложить некоторый толчок в виде электрического поля, чтобы заставить ток двигаться", - объясняет Ван. "Сверхтекучая жесткость относится к тому, насколько легко заставить эти частицы двигаться, чтобы обеспечить сверхпроводимость".

Сегодня ученые могут измерять жесткость сверхтекучей среды в сверхпроводящих материалах с помощью методов, которые обычно включают помещение материала в микроволновый резонатор - устройство, имеющее характерную резонансную частоту, при которой электрический сигнал будет колебаться на микроволновых частотах, подобно вибрирующей скрипичной струне. Если сверхпроводящий материал поместить в микроволновый резонатор, он может изменить резонансную частоту устройства и, в частности, его "кинетическую индуктивность" на величину, которую ученые могут напрямую связать со сверхтекучей жесткостью материала.

Однако до настоящего времени такие подходы были совместимы только с образцами материалов большого размера и толщины. Команда Массачусетского технологического института поняла, что для измерения жесткости сверхтекучей среды в атомарно тонких материалах, таких как MATBG, потребуется новый подход.

"По сравнению с MATBG типичный сверхпроводник, который исследуется с помощью резонаторов, в 10-100 раз толще и больше по площади", - говорит Ван. "Мы не были уверены, будет ли такой крошечный материал вообще генерировать какую-либо измеримую индуктивность".

Захваченный сигнал

Задача измерения жесткости сверхтекучей среды в MATBG связана с тем, чтобы прикрепить чрезвычайно тонкий материал к поверхности микроволнового резонатора как можно более плавно.

"Чтобы это сработало, вы хотите создать идеальный контакт без потерь, то есть сверхпроводящий, между двумя материалами", - объясняет Ван. "В противном случае микроволновый сигнал, который вы посылаете, будет ухудшен или даже просто отскочит назад вместо того, чтобы попасть в ваш целевой материал".

Группа Уилла Оливера из Массачусетского технологического института разрабатывает методы точного соединения чрезвычайно тонких двумерных материалов с целью создания новых типов квантовых битов для будущих устройств квантовых вычислений. В своем новом исследовании Танака, Ванг и их коллеги применили эти методы для бесшовного подключения крошечного образца MATBG к концу алюминиевого микроволнового резонатора. Для этого группа сначала использовала обычные методы сборки MATBG, затем поместила структуру между двумя изолирующими слоями из гексагонального нитрида бора, чтобы помочь сохранить атомную структуру и свойства MATBG.

"Алюминий - это материал, который мы регулярно используем в наших исследованиях сверхпроводящих квантовых вычислений, например, в алюминиевых резонаторах для считывания алюминиевых квантовых битов (кубитов)", - объясняет Оливер. "Итак, мы подумали, почему бы не сделать большую часть резонатора из алюминия, что для нас относительно просто, а затем добавить немного MATBG в конце? Это оказалось хорошей идеей".

"Чтобы соприкоснуться с MATBG, мы протравливаем его очень резко, как будто разрезаем слои торта очень острым ножом", - говорит Ван. "Мы обнажаем боковую сторону свежесрезанного MATBG, на которую затем наносим алюминий - тот же материал, что и резонатор, - чтобы обеспечить хороший контакт и сформировать алюминиевый вывод".

Затем исследователи подключили алюминиевые выводы структуры MATBG к более крупному алюминиевому микроволновому резонатору. Они послали микроволновый сигнал через резонатор и измерили результирующий сдвиг его резонансной частоты, из чего они смогли сделать вывод о кинетической индуктивности MATBG.

Однако, когда они преобразовали измеренную индуктивность в величину жесткости сверхтекучей среды, исследователи обнаружили, что она намного больше, чем предсказывали бы традиционные теории сверхпроводимости. У них было предчувствие, что избыток связан с квантовой геометрией MATBG - тем, как квантовые состояния электронов коррелируют друг с другом.

"Мы наблюдали десятикратное увеличение жесткости сверхтекучей среды по сравнению с обычными ожиданиями, при этом температурная зависимость соответствовала тому, что предсказывает теория квантовой геометрии", - говорит Танака. "Это было "неопровержимое доказательство", которое указывало на роль квантовой геометрии в регулировании жесткости сверхтекучей среды в этом двумерном материале".

"Эта работа представляет собой отличный пример того, как можно использовать сложную квантовую технологию, используемую в настоящее время в квантовых схемах, для исследования систем конденсированных сред, состоящих из сильно взаимодействующих частиц", - добавляет Харилло-Эрреро.

Это исследование частично финансировалось Исследовательским управлением армии США, Национальным научным фондом, Управлением научных исследований ВВС и заместителем министра обороны по исследованиям и инженерному обеспечению.

Дополнительное исследование скрученного под магическим углом трехслойного графена (MATTG), проведенное в сотрудничестве между группой Филиппа Кима из Гарвардского университета и группой Харилло-Эрреро из Массачусетского технологического института, опубликовано в том же номере журнала Nature.