Дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) у США виявили у звичайному графіті унікальний надпровідник, який одночасно діє як магніт.

Традиційно вважалось, що надпровідники і магніти несумісні, оскільки надпровідники витісняють магнітні поля. Однак відкриття фізиків MIT спростовує це твердження. Виявлений у шарах графіту хіральний надпровідник проводить електричний струм з нульовим опором і має магнітні властивості.

Надпровідник виявили в ромбоедричному графені — особливій формі графіту з укладкою 4-5 шарів графену у вигляді «сходів». Науковці ізолювали мікроскопічні частинки ромбоедричного графену від графіту і піддали низці електричних випробувань. 

Виявилось, що при охолодженні цих частинок до близько –273 °C матеріал стає надпровідним. Також дослідники з’ясували, що при зміні зовнішнього магнітного поля ці частинки могли здійснювати перехід між двома надпровідними станами, як магніт, що змінює полярність.

Це означає, що надпровідник має власний внутрішній магнетизм. Такую поведінку дослідники MIT спостерігали у 6 зразках. Вона не спостерігалась в жодному іншому надпровідному матеріалі. Критичне магнітне поле сягало 1,4 тесла — вище, ніж в інших графенових надпровідників.

У традиційних провідних матеріалах електрони здійснюють хаотичний рух, пролітаючи один повз одного, відскакуючи від атомної гратки матеріалу. Кожен раз, коли електрон розсіюється на атомі, він зустрічає певний опір і внаслідок цього втрачає частину енергії, переважно у вигляді тепла. Однак охолодження деяких матеріалів до наднизьких температур робить їх надпровідними. У таких умовах електрони отримують змогу об’єднуватись у пари. Замість того, щоб розсіюватися, ці електронні пари ковзають по матеріалу без опору. Таким чином, у надпровіднику енергія не втрачається під час переміщення.

Упродовж останніх кількох років група дослідників з MIT, Університету штату Флорида, Базельського університету у Швейцарії та Національного інституту матеріалознавства в Японії вивчала електричні властивості п’ятишарового ромбоедричного графену. Нещодавно вони спостерігали, як ця структура дозволила електронам розділятись на частини самих себе. Це можна спостерігати, якщо п’ятишаровий ромбоедричний графен розмістити на листі гексагонального нітриду бору і трохи змістити під відповідним кутом. 

На думку дослідників, поясненням унікальних властивостей цього матеріалу є його конфігурація. Він має надзвичайно просте розміщення атомів вуглецю. Під час охолодження до наднизьких температур теплові коливання зводяться до мінімуму, що сповільнює електрони і дозволяє їм взаємодіяти. Електрони можуть об’єднуватись у пари і ставати надпровідниками. У цьому матеріалі електрони ніби «обертаються» в одну сторону, наче крихітні магніти, при цьому рухаючись за особливою траекторією, яку науковці називають «долиною».

Коли всі електрони знаходяться в одній долині, вони ефективно обертаються в одному напрямку, а не протилежному. У звичайних надпровідниках електрони можуть займати будь-яку долину і будь-яка пара електронів зазвичай складається з електронів протилежних долин, які компенсують один одного. Тоді пара загалом має нульовий імпульс і не обертається. 

Відкриття може призвести до створення стабільних квантових бітів (кубітів), покращених МРТ-магнітів та енергоефективної електроніки, що знижує енергоспоживання на 20–30 %. Вчені планують вивчити, як підвищити температуру надпровідності і створити пристрої, що масштабуються.

Найменшу у світі напівпровідникову структуру використали для отримання «чистого» водню

Результати дослідження опубліковані у журналі Nature

Джерело: SciTechDaily