Искривлённый графен показал скрытый «переключатель» сверхпроводимости

Учёные обнаружили необычный способ управлять сверхпроводимостью — явлением, при котором электрический ток проходит через материал без потерь энергии. Новое исследование показало, что это состояние можно фактически включать и выключать, изменяя среду вокруг особой структуры из скрученных слоёв графена. Работа может стать важным шагом к созданию более эффективной электроники и новых квантовых технологий. Сверхпроводимость давно считается одним из самых перспективных направлений современной физики. В обычных проводниках часть энергии теряется в виде тепла из-за электрического сопротивления.

Но в сверхпроводниках, при охлаждении ниже определённой критической температуры, ток способен течь без сопротивления и без энергетических потерь. Если научиться создавать такие материалы при более высоких температурах, это может радикально изменить энергетику, электронику, связь и вычислительную технику. Команда физиков под руководством профессора Чун Нин, также известной как Джини Лау, из Университета штата Огайо изучала так называемый скрученный двухслойный графен. Этот материал создаётся из двух сверхтонких листов углерода, расположенных друг над другом с небольшим поворотом одного слоя относительно другого. Подобная геометрия резко меняет поведение электронов и открывает путь к появлению необычных квантовых эффектов.

В новом эксперименте исследователи объединили скрученный графен со стронцием титанатом — синтетическим материалом, который иногда описывают как похожий на искусственный алмаз. Такая комбинация позволила учёным не только наблюдать взаимодействия электронов внутри системы, но и влиять на них через окружающую среду материала. Именно электронные взаимодействия играют ключевую роль в свойствах вещества. Они определяют, например, магнетизм, химические связи и способность материала переходить в сверхпроводящее состояние. В сверхпроводниках электроны, которые в обычных условиях отталкиваются друг от друга, образуют особые пары. Благодаря этим парам ток может двигаться через материал без рассеяния и потерь.

Исследователи выяснили, что, меняя среду вокруг скрученного графена, можно усиливать или ослаблять такие взаимодействия. Фактически это позволяло управлять сверхпроводимостью: в одних условиях она проявлялась, а в других исчезала. Такой результат особенно важен, потому что он показывает: свойства материала зависят не только от его внутренней структуры, но и от того, с чем он соприкасается и в каком окружении находится. По словам Джини Лау, электроны обычно отталкиваются друг от друга, но в сверхпроводниках они формируют пары, и именно это парообразование лежит в основе способности проводить электричество без потерь.

Новые данные указывают на то, что сами электроны и их чувствительность к ближайшему окружению могут играть неожиданно важную роль в изменении свойств материала. Особенно удивительным оказалось то, что поведение новой системы не совпало с правилами, характерными для обычных сверхпроводников. В традиционных материалах уменьшение отталкивания между электронами, как правило, усиливает сверхпроводимость. Но в эксперименте со скрученным графеном учёные увидели обратную картину: при определённых изменениях сверхпроводимость становилась слабее, а не сильнее. Это открытие говорит о том, что скрученный двухслойный графен может подчиняться иным физическим механизмам.

Такие материалы не просто повторяют поведение классических сверхпроводников, а демонстрируют новые формы квантовой организации. По мнению авторов, работа открывает путь к изучению совершенно нового типа физики, который пока ещё плохо понятен. Практическое значение исследования может быть огромным. Передача электричества без потерь позволила бы резко повысить эффективность энергосистем, снизить нагрев электронных компонентов и создать более мощные устройства. Кроме того, управляемая сверхпроводимость важна для квантовых технологий, где требуется точный контроль над состояниями материала. Одной из главных целей в этой области остаётся создание сверхпроводников, работающих при гораздо более высоких температурах, а в идеале — при комнатной температуре. Пока большинство известных сверхпроводников требуют сильного охлаждения, что ограничивает их применение.

Но если учёные научатся управлять сверхпроводимостью через окружающую среду материала, это может стать новым маршрутом к более практичным решениям. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics. Авторы подчёркивают, что пока это только ранний этап. Механизм сверхпроводимости в использованной системе скрученного двухслойного графена всё ещё до конца не ясен. Однако полученные данные могут помочь другим исследователям лучше понять, как управлять сложными электронными взаимодействиями в разных материалах. В дальнейшем команда планирует провести дополнительные эксперименты и изучить другие типы взаимодействий. Учёные считают, что их работа уже вызвала большой интерес в научном сообществе, потому что демонстрирует возможности, которые раньше не удавалось показать. Если эти подходы удастся развить, они могут приблизить создание нового поколения электроники — более быстрой, экономичной и почти не теряющей энергию при передаче тока.

• Роботы-гуманоиды идут в школу: в Китае готовят машины к реальной жизни
• Популярные чат-боты ИИ имеют тревожную уязвимость в шифровании — это означает, что хакеры могли легко перехватывать сообщения
• Грибы как компьютерные чипы: учёные создают «живую память» из шиитаке
• Учёные создали трёхслойное микрофлюидное устройство для сверхэффективного охлаждения электроники
• Обычный кристалл оказался идеальным материалом для технологий на сверхнизких температурах
• Учёные научились превращать снимки атомно-силового микроскопа в точные 3D-модели движений белков
• Учёные создали уникальный гидрогель для «неклонируемых» меток безопасности
• Роботы нового поколения: в Caltech создали систему, которая может ходить, ездить и летать