Экспериментальные
исследования сверхрешеток из трехслойного графена, расположенного между листами нитрида бора, позволили обнаружить фазовые переходы
из металлического состояния в моттовский диэлектрик, а из него — в
сверхпроводник. Это делает подобные структуры идеальными кандидатами для изучения
физики сильно скореллированных систем, таких как высокотемпературные
сверхпроводники. Основным преимуществом таких веществ является возможность
варьировать электронные параметры, пишут авторы в журнале Science.

Высокотемпературная
сверхпроводимость (ВТСП) является одной из самых актуальных тем в физике конденсированного
состояния. Стандартные сверхпроводники, у которых сопротивление пропадает при
близкой к абсолютному нулю температуре, хорошо описываются теорией Бардина —
Купера — Шриффера. Однако для соединений, переходящих в такое состояние при температуре выше
100 кельвин, полноценной теории до сих пор не существует. Эта ситуация не
только неудовлетворительна с точки зрения теоретиков, но она также не позволят
разрабатывать все более высокотемпературные сверхпроводники, а открытия
рекордных случаев больше связаны со случайными находками.

Один из предложенных
подходов связывает ВТСП с допированными моттовскими диэлектриками посредством
модели Хаббарда. Изоляторы Мотта согласно стандартной теории
электропроводимости должны быть проводниками, но на самом деле они ток не
проводят из-за сильного взаимодействия между электронами. Модель Хаббарда — это
приближение в физике конденсированного состояния, которое описывает прыжки
электронов между различными положениями в кристаллической решетке и
взаимодействие их при попадании на один участок. Однако теоретическое решение в
случае моттовских диэлектриков оказывается чрезвычайно сложным именно из-за
сильного взаимодействия электронов.

В статье коллектива
физиков из Китая, США, Южной Кореи и Японии, руководителем которого выступил Фэн
Ван (Feng Wang) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, демонстрируется
детальное исследование такой системы. Идея авторов заключается в помещении сверхрешетки
из трех листов графена между двумя слоями нитрида бора с
похожим шестиугольным строением. Так как расстояние между атомами в двух
соединениях различается, то в некоторых местах они оказываются строго друг над
другом, в соседних — слегка смещены, а через примерно 10 нанометров опять
совпадают, формируя характерный муаровый узор. В результате получается гетероструктура,
в которой силой взаимодействия электронов можно управлять. Ранее этот же
коллектив теоретически обосновал эту возможность, а в новой работе реализовал
задумку в эксперименте.

Авторы
разместили по сторонам структуры металлические контакты, подведя один и к
графену. Таким образом получился транзистор с двумя затворами, что позволило
управлять концентрацией электронов в каждой муаровой ячейке посредством
вертикального электрического поля. Физики проводили опыты с полученной
структурой при разной температуре. При 5 кельвинах она превратилась из
проводника с металлическими свойствами в моттовский диэлектрик, а при
охлаждении ниже 40 милликельвин сопротивление резко упало. Однако это происходило
только при наложении мощного вертикального электрического поля с градиентом на
уровне полватта на нанометр, которое управляло силой взаимодействий электронов.
Так как общей теории взаимодействий таких сложных систем нет, то авторам
пришлось провести множество экспериментов, прежде чем они наши нужные значениям
параметров.

Необычный вариант сверхпроводимости относительно недавно открыли в двухслойном графене, один из листов которого
повернут на «магический угол» в 1,1 градус. Однако управлять параметрами в
таком случае невозможно. Авторы отмечают, что их подход обладает несколькими
преимуществами. Во-первых, трехслойная структура позволяет управлять степенью
скоррелированности электронов посредством вертикального электрического поля,
во-вторых, муаровый узор сверхрешетки более однороден, чем в случае графена с
поворотом листов, а в-третьих, новая система гораздо меньше зависит от углов между слоями, что дает дополнительную свободу.

Недавно ученые экспериментально зафикировали парадокс Клейна, то есть идеальное тунеллирование при наличии потенциального барьера, в случае топологического проводника в сверхпроводящем состоянии. Также физики подтвердили сверхпроводимость гидрида лантана при температуре −23 градуса Цельсия. Еще одной необычной системой без электрического сопротивления оказался обогащенный дырками купрат бария.

Тимур Кешелава