MIT odkrywa niezwykłe stany nadprzewodzące w grafenie, które łamią prawa fizyki

Grafen, czyli atomowo cienka warstwa węgla, od lat dostarcza fizykom niespodzianek, ale najnowsze odkrycie zespołu z MIT (prowadzonego przez Longa Ju) może okazać się jednym z najważniejszych w tej dekadzie. W badaniach opublikowanych w renomowanych czasopismach, m.in. Nature, uczeni donoszą o istnieniu wielu zupełnie nowych stanów nadprzewodzących w tzw. grafenie romboedrycznym – czyli naturalnie występującej, wielowarstwowej strukturze grafitu, która nie wymaga żadnych sztucznych „magicznych kątów” czy siatek moiré .

Krajobraz wielu stanów nadprzewodzących

Kluczowym odkryciem jest fakt, że grafen romboedryczny (w wersjach 4-, 5-, 6-, a nawet 7-warstwowych) może być gospodarzem wielu odrębnych faz nadprzewodzących, a nie tylko jednej .

• Pięciowarstwowy grafen: Zidentyfikowano w nim trzy różne typy nadprzewodnictwa, z których część nie tylko opiera się niszczącemu działaniu pola magnetycznego, ale jest wręcz przez nie wzmacniana lub inicjowana .
• Czterowarstwowy grafen: Naukowcy zaobserwowali w nim dwa nowe stany nadprzewodzące, które wykazują zarówno chiralność (preferowany kierunek), jak i wewnętrzny magnetyzm – to wyjątkowe połączenie, z którym fizycy nie spotkali się wcześniej w żadnym nadprzewodniku . Co więcej, stany te pojawiają się w temperaturach przejścia dochodzących do 300 milikelwinów (czyli zaledwie 0,3 stopnia powyżej zera absolutnego) .
• Sześciowarstwowy grafen: Odkryto tu fazę nadprzewodzącą, która jednocześnie łamie symetrię obrotową, translacyjną i odwrócenia czasu . Wykazuje ona także tzw. ładunek porządku pasmowego (stripe charge order), co czyni ją wyjątkowo egzotyczną.

Zachowanie w polu magnetycznym: fizyka na opak

To, co zszokowało naukowców, to zachowanie nowych stanów w polu magnetycznym. W konwencjonalnych nadprzewodnikach (tzw. typu s-wave) pole magnetyczne niszczy nadprzewodnictwo. MIT udowodniło, że w grafenie romboedrycznym jest odwrotnie:

• Stabilizacja przez pole: W sześciowarstwowym grafenie nadprzewodnictwo nie jest niszczone, ale stabilizowane przez zewnętrzne pole magnetyczne. Co więcej, współistnieje ono z kwantowym efektem Halla, który dotąd uznawano za zjawisko wykluczające nadprzewodnictwo .
• Odporność na pole wzdłużne: Wiele stanów nadprzewodzących przetrwało działanie pola wzdłużnego o natężeniu przekraczającym 8,5 Tesli, co wielokrotnie przekracza konwencjonalną granicę Pauliego .
• Superprzewodnictwo indukowane polem: W pewnych warunkach przyłożenie pola magnetycznego powoduje przejście izolatora w nadprzewodnik – czyli dokładnie odwrotność tego, co dyktuje standardowa teoria .

Proponowany mechanizm: parowanie trypletowe

Aby wyjaśnić te anomalie, zespół MIT zaproponował, że odpowiada za nie nietypowy mechanizm parowania elektronów. W zwykłych nadprzewodnikach elektrony łączą się w pary o przeciwnych spinach (tzw. singlet). W nowym przypadku mamy do czynienia z parowaniem trypletowym (spin-triplet), gdzie spiny elektronów w parze są ułożone równolegle .

• Stan normalny w tych układach jest izospinowo spolaryzowany (spinowo i/lub dolinowo), co łamie symetrię odwrócenia czasu już przed pojawieniem się nadprzewodnictwa .
• Nadprzewodnictwo wyłania się z tzw. ćwierćmetalicznego stanu macierzystego, charakteryzującego się pojedynczym spinem, pojedynczą doliną i pojedynczą kieszenią Fermiego .
• Odporność na pole magnetyczne jest właśnie cechą charakterystyczną dla nadprzewodnictwa trypletowego i chiralnego, gdzie pole nie rozrywa pary, ale może ją nawet stabilizować .

Dlaczego to jest ważne?

Odkrycia z MIT są fundamentalne dla fizyki materii skondensowanej i rodzą nadzieje na przyszłe technologie:

• Nowa platforma badawcza: Grafen romboedryczny to czyste, pozbawione moiré i strojone polem elektrycznym laboratorium do systematycznego badania niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa .
• Dowód na chiralne nadprzewodnictwo: Koegzystencja nadprzewodnictwa i magnetyzmu w jednym materiale potwierdza istnienie od dawna teoretyzowanych, ale rzadko obserwowanych chiralnych nadprzewodników .
• Topologiczne nadprzewodnictwo: Prace teoretyczne sugerują, że odkryte stany mogą być gospodarzami fermionów Majorany i spontanicznych sieci wirów, co ma bezpośrednie zastosowanie w topologicznych komputerach kwantowych .
• Koniec monopolu moiré: Udowodniono, że niezwykłe nadprzewodnictwo nie wymaga sztucznych nadstruktur jak „magiczny kąt”. Wystarczy odpowiednio ułożony naturalny grafit, co znacznie poszerza pole poszukiwań nowych materiałów .