MIT löysi grafeenista täysin uudenlaisia suprajohteita – kokeelliset havainnot haastavat fysiikan peruslakeja

MIT:n tutkijat (Long Jun johtama ryhmä) ovat löytäneet rhombogonaalisesta monikerrosgrafeenista täysin uudenlaisia suprajohtavia tiloja, jotka haastavat perinteisen fysiikan käsitykset. Tulokset on julkaistu useissa Nature-lehden artikkeleissa .

Useita erillisiä suprajohtavia tiloja

Rhombogonaalinen grafeeni – kiteinen, ei-kierteinen grafeenimuoto – on osoittautunut poikkeuksellisen rikkaaksi suprajohtavuuden laboratorioksi. Tärkeimmät löydöt:

• Tetralayer- ja pentalayer-grafeenissa havaittiin useita puhtaita suprajohtavia tiloja. Pelkästään pentalayer-grafeenista tunnistettiin kolme erilaista kenttävahvisteista ja kenttäindusoitua suprajohtavuutta, jotka kaikki kestävät 8,5 Teslan magneettikentän .
• Tetralayer-grafeenissa löydettiin kaksi uutta suprajohtavaa tilaa, joilla molemmilla on kiraalisuus ja sisäinen magnetismi – yhdistelmä, jota ei ole aiemmin nähty suprajohteessa . MIT RLE -ryhmän mukaan näiden tilojen siirtymälämpötilat ovat noin 300 millikelviniä .
• Heksakerrosgrafeeni paljastaa suprajohtavan faasin, joka samanaikaisesti rikkoo rotaatio-, translaatio- ja aikakäänteissymmetrian. Se syntyy kvarttimetal-tilasta, jossa on raitavarausjärjestys .
• Heptakerrosgrafeeni osoittaa myös useita suprajohtavia faaseja, mikä vahvistaa ilmiön skaalautuvan kerrosten lukumäärän myötä .

Magneettikenttäkäyttäytyminen: päinvastoin kuin perinteinen fysiikka

Perinteinen (s-aalto) suprajohtavuus tuhoutuu magneettikentässä – sekä kohtisuorassa (orbitaalinen depairointi) että samansuuntaisessa (Paulin paramagneettinen depairointi). MIT:n löydöt kumoavat tämän toistuvasti:

• Kohtisuora magneettikenttä stabiloi suprajohtavuutta: Rhombogonaalisessa heksakerrosgrafeenissa suprajohtava tila ei tuhoudu, vaan vahvistuu ulkoisesta magneettikentästä. Tämä tila esiintyy rinnakkain kvantti-Hall-tilojen kanssa – ilmiöitä, joita perinteisesti pidettiin toisensa poissulkevina .
• Samansuuntainen kenttä: Useat suprajohtavat tilat tetra-, penta- ja heptakerrosgrafeenissa ylittävät Paulin rajan jopa kymmenkertaisesti, kriittisten samansuuntaisten kenttien ollessa yli 8,5 T .
• Kenttäindusoitu suprajohtavuus: Joissakin tapauksissa eriste-suprajohde-siirtymä tapahtuu samansuuntaisen magneettikentän avulla – päinvastoin kuin standardikäyttäytyminen .
• Raitajärjestynyt suprajohde: Heksakerrosgrafeenissa suprajohtava tila esiintyy yhdessä raitavarausjärjestyksen kanssa ja rikkoo spontaanisti aikakäänteissymmetrian .

Ehdotettu mekanismi

MIT:n ryhmä ehdottaa, että nämä epätavalliset ominaisuudet johtuvat spin-triplettiparituksesta perinteisen spin-singlet-parituksen sijaan . Keskeiset teoreettiset elementit:

• Normaali tila näissä järjestelmissä on isospin-polarisoitunut (spin ja/tai laakso polarisoitunut), mikä rikkoo aikakäänteissymmetrian jo ennen suprajohtavuuden syntyä .
• Suprajohtavuus syntyy kvarttimetal-emätilasta, jolle on ominaista yksittäinen spin, yksittäinen laakso, yksittäinen vyö ja yksittäinen Fermi-tasku .
• Havaittu magneettikenttien kestävyys on tyypillistä spin-tripletti- tai kiraalisille suprajohtaville järjestysparametreille, joissa elektroniparit ovat samansuuntaisia eivätkä vastakkaisia .
• Heksakerrosjärjestelmässä ehdotettu tila on **