Открытие множественных сверхпроводящих фаз в ромбоэдрическом графене

Физики из Массачусетского технологического института (MIT) под руководством Лонга Джу совершили прорыв в области физики конденсированного состояния, открыв целое семейство необычных сверхпроводящих состояний в кристаллическом (без муаровой решётки) ромбоэдрическом графене. Результаты, опубликованные в престижных журналах, включая Nature, показывают, что этот материал может стать идеальной платформой для изучения экзотических форм сверхпроводимости, включая киральную и топологическую.

---

Множественные сверхпроводящие состояния

Исследователи обнаружили, что количество сверхпроводящих фаз растёт с увеличением числа слоёв графена:

• В пентаслойном (5 слоёв) графене идентифицированы три различных типа полевых и индуцированных полем сверхпроводящих состояний . Все они демонстрируют устойчивость к параллельному магнитному полю до 8,5 Тл, что в десятки раз превышает так называемый предел Паули.
• В тетраслойном (4 слоя) графене обнаружены два новых сверхпроводящих состояния, каждое из которых обладает одновременно киральностью и внутренним магнетизмом . Такое сочетание ранее не наблюдалось ни в одном сверхпроводнике. Температура перехода (Tc) для них достигает 300 милликельвинов .
• Гексаслойный (6 слоёв) графен демонстрирует фазу, которая одновременно нарушает вращательную, трансляционную и симметрию обращения времени, возникая из четверть-металлического состояния с полосовым зарядовым упорядочением .
• В гептаслойном (7 слоёв) графене также обнаружены множественные фазы, что подтверждает системный характер явления .

---

Поведение в магнитных полях: вопреки традиционной физике

Обычная (s-волновая) сверхпроводимость разрушается магнитным полем. Открытия MIT многократно опровергают это правило:

• Стабилизация перпендикулярным полем: В гексаслойном графене сверхпроводящая фаза не разрушается, а стабилизируется внешним магнитным полем. Она сосуществует и конкурирует с состояниями квантового эффекта Холла — два явления, которые традиционно считались взаимоисключающими .
• Устойчивость к параллельному полю: Множество состояний в тетра-, пента- и гептаслойном графене сохраняются далеко за пределами предела Паули, с критическими полями, превышающими 8,5 Тл .
• Индуцированная полем сверхпроводимость: В некоторых режимах параллельное магнитное поле переводит материал из изолятора в сверхпроводник, что противоположно стандартному поведению .
• Полосовой сверхпроводник: В гексаслойном графене сверхпроводимость сосуществует с полосовым зарядовым порядком и спонтанно нарушает симметрию обращения времени .

---

Предложенный механизм: спин-триплетное спаривание

Группа MIT предлагает, что необычные свойства обусловлены спин-триплетным спариванием, а не обычным синглетным . Ключевые теоретические элементы:

• Нормальное состояние в этих системах — изоспин-поляризованное (спиновая и/или долинная поляризация), что нарушает симметрию обращения времени ещё до возникновения сверхпроводимости .
• Сверхпроводимость возникает из четверть-металлического родительского состояния, характеризующегося одним спином, одной долиной, одной зоной и одним карманом Ферми .
• Наблюдаемая устойчивость к магнитным полям — характерный признак кирального или спин-триплетного параметра порядка, где электронные пары имеют параллельные, а не противоположные спины .
• В гексаслойной системе предложенное состояние — «полосовой» сверхпроводник, нарушающий одновременно несколько симметрий .

---

Последствия и значение

Эти открытия имеют огромное значение для физики и материаловедения:

• Настраиваемая платформа: Ромбоэдрический многослойный графен — чистая, безмуаровая система, управляемая электрическим полем, для систематического изучения нетрадиционной сверхпроводимости .
• Киральная сверхпроводимость: Сосуществование сверхпроводимости и внутреннего магнетизма в одном материале подтверждает существование киральных сверхпроводников — долго теоретизированного, но редко наблюдаемого состояния .
• Спин-триплетное спаривание: Устойчивость к магнитным полям — одно из сильнейших на сегодняшний день свидетельств в пользу спин-триплетной сверхпроводимости в твёрдом теле .
• Топологическая сверхпроводимость: Теоретические работы предсказывают, что эти состояния могут поддерживать фермионы Майораны и спонтанные решётки вихрей и антивихрей , что актуально для топологических квантовых вычислений.
• Выход за рамки муаровых систем: Эти открытия демонстрируют, что нетрадиционная сверхпроводимость не требует «магических углов» — она может возникать из собственной электронной структуры ромбоэдрического графена, что значительно расширяет область поиска новых сверхпроводников .