В двухслойном графене с
поворотом на «магический» угол обнаружили редкую линейную зависимость электрического
сопротивления от температуры вблизи абсолютного нуля. Эта особенность роднит
двухслойный графен с необычным классом веществ под названием странные металлы. К нему, например, относятся купраты, в числе которых рекордсмены по температуре
сверхпроводимости при нормальном давлении, а также рутенаты, пниктиды и некоторые
другие материалы. Открытие подтверждает наличие нового фундаментального
механизма переноса заряда и тепла в таких соединениях, пишут авторы в журнале Physical
Review Letters.

Графен — это двумерная аллотропная
модификация углерода, представляющая собой расположенные в виде шестиугольников
атомы, объединенные в листы атомарной толщины. Графен обладает множеством
необычных свойств, которые потенциально применимы в науке и технологиях. Однако
ученые продолжают открывать новые необычные характеристики этого материала.

Одним из важных открытий
последних двух лет стало обнаружение сверхпроводимости в двухслойном графене. Поворот
листов на небольшой угол создает периодическую муаровую шестиугольную сверхрешетку
с намного большим периодом, чем у самого графена. Если угол принимает одно из «магических»
значений, наименьшее из которых близко к 1,1 градусу, то при низких
температурах вещество переходит в сверхпроводящее состояние. Детальные
исследования показали, что такой графен по некоторым свойствам, в частности,
фазовой диаграммой, похож на купраты — соединения, с открытием которых появился
термин высокотемпературная сверхпроводимость.

Пабло Харильо-Эрреро
(Pablo Jarillo-Herrero) из Массачусетского технологического института и его
коллеги из США и Японии обнаружили еще один признак, который роднит повернутый
на «магический» угол двухслойных графен с купратами: наличие фазы странного
металла с линейной зависимостью сопротивления от температуры вблизи абсолютного
нуля. Такая закономерность не наблюдается у обычных металлов, у которых, как
правило, после сверхпроводящей фазы происходит резкий рост сопротивления. Более
того, на данный момент нет полноценного теоретического объяснения этому
феномену.

Долгое время электронный
транспорт в металлах успешно описывался сформулированной в 1900 году теорией
Друде, которая связывает проводимость с плотностью рассматриваемых как газ электронов,
их массой и средним временем между рассеяниями на ионах τ. С квантовыми поправками,
заменившими массу реальных частиц на эффективную массу носителей заряда и
связавшими время между рассеяниями при низких температурах пропорциональностью τ ∼ T^-2,
данная модель успешно описывала большинство экспериментальных данных вплоть до
1980-х годов.

Открытие купратов в 1986
году продемонстрировало ограниченность теории, которая не смогла объяснить
наблюдавшуюся в них фазу странного металла с линейной зависимостью
сопротивления от температуры. Такое поведение предполагает, что время между рассеяниями
обратно пропорционально первой степени температуры, а не квадрату, как в модели
Друде. Открытие фазы странного металла у двухслойного графена дополнительно
свидетельствует о необходимости разработки нового теоретического подхода к
явлениям переноса и говорит о возможности существования такой фазы во множестве
различных систем.

Если вычислить по формуле
Друде время между рассеяниями в странных металлах (что с теоретической точки
зрения плохо обосновано), то получается выражение τ = Cℏ∕kT, где ℏ — постоянная Планка, T — температура,
k — постоянная
Больцмана, а C — числовой
коэффициент пропорциональности. Считается, что темп рассеяний должен быть связан
с силой межэлектронных взаимодействий (которые полностью игнорируются в
оригинальной модели Друде), а они сильно отличаются в различных странных
металлах.

Однако наблюдения демонстрируют, что коэффициент C близок к
единице у самых разнообразных странных металлов и, как оказывается, у двухслойного
графена также: в новой работе измеренные значения C попали в диапазон
от 1,1 до 1,6. Эта универсальность наводит теоретиков на мысль о наличии нового
фундаментального механизма явлений переноса в странных металлах. Эту ситуацию
ученые связывают с планковской диссипацией (Planckian dissipation), то есть
состоянием квантовой запутанности многих электронов, в котором достигается
максимальная разрешенная законами физики скорость рассеяния энергии.

Двухслойный графен может оказаться удобной системой для продолжения
экспериментов в данной области. Его основное преимущество заключается в
возможности управления фактором заполнения сверхрешетки, то есть, фактически,
плотностью носителей заряда, посредством приложения электрического напряжения,
в то время как другие странные металлы необходимо изготавливать заново с
другими примесями.

Ранее физики объяснили «магическую» сверхпроводимость двухслойного графена фононами, увидели в нем экситоны и превратили в аномальный магнит. 

Тимур Кешелава