Вчені повністю вимкнули надпровідність у графені з магічним кутом

05 вересня 2026 р. 13:02

05 вересня 2026 р. 13:02

Дослідники з Національного інституту графену Манчестерського університету та їхні колеги повністю вимкнули надпровідність у так званому графені з магічним кутом, цілеспрямовано послабивши взаємодію між електронами. Робота, про яку розповідає видання Interesting Engineering , дає потужні експериментальні докази того, що саме сильні електрон-електронні взаємодії лежать в основі цього незвичного стану.

Отриманий результат став можливим завдяки новому пристрою, який дозволив набагато точніше, ніж у попередніх експериментах, керувати взаємодіями електронів у графені з магічним кутом.

Що таке графен з магічним кутом

Графен з магічним кутом утворюють, коли два одношарові листи графену накладають один на одного з дуже малим поворотом приблизно на 1,1 градуса. У такій конфігурації матеріал може набувати незвичних електронних станів, зокрема ставати надпровідником.

Однак механізм, який змушує електрони об’єднуватися в пари та створювати надпровідність, залишався предметом суперечок. Одна з гіпотез спирається на звичайний механізм, де електронні пари формуються завдяки коливанням кристалічної ґратки — фононам. Інша робить ставку на те, що ключову роль відіграють саме взаємодії між електронами.

Нове дослідження безпосередньо перевіряло ці конкуруючі ідеї, навмисно послаблюючи електрон-електронні взаємодії.

Як послабили взаємодію електронів

Команда створила структуру з двох скручених двошарових графенових систем, розділених відстанню менш ніж один нанометр. При цьому вони залишалися електронно розділеними, тож одна з них могла працювати як керований «екрануючий» шар для іншої.

Збільшуючи концентрацію носіїв заряду в сусідньому двошаровому графені, дослідники поступово послаблювали кулонівські взаємодії між електронами в графені з магічним кутом. У міру посилення екранування надпровідність слабшала, а згодом була повністю придушена.

Подібний ефект спостерігали й для іншого важливого стану цього матеріалу — так званого корельованого ізолятора. Він також зникав за тих самих умов, а вимірювання показали, що критична температура надпровідності може знижуватися більш ніж на порядок.

Керувати взаємодіями електронів вдалося на відстанях до 0,3 нанометра . Надзвичайно малий проміжок між двома графеновими системами зробив екранування значно сильнішим, ніж у попередніх експериментах.

За словами кореспондуючого автора, професора Олексія Бердюгіна (Alexey Berdyugin) з Національного університету Сінгапуру, команда не очікувала, що вмикання екранування повністю знищить надпровідність. Це стало прямим експериментальним свідченням того, що в цій системі надпровідність походить від сильних електрон-електронних взаємодій.

Чому це звужує коло можливих пояснень

Результати також допомагають відкинути просте «класичне» пояснення. Якби надпровідність у графені з магічним кутом головним чином визначалася фононами — коливаннями атомної ґратки, — послаблення кулонівських взаємодій мало б майже не вплинути на надпровідність або навіть трохи посилити її.

Натомість експеримент показав протилежне: екранування електронних взаємодій послабило, а потім повністю усунуло надпровідність. Це підтримує нетрадиційний механізм утворення електронних пар, пов’язаний із колективною поведінкою електронів.

Водночас дослідники наголошують, що їхня робота не вказує на єдиний конкретний механізм спаровування. Існує кілька теорій, які залучають різні типи колективних електронних взаємодій, і всі вони поки що залишаються можливими. Однак нові дані суттєво звужують діапазон прийнятних пояснень надпровідності в графені з магічним кутом.

Крок до розуміння високотемпературної надпровідності

Автори вважають, що їхній підхід може допомогти досліджувати й інші матеріали, де сильні електронні кореляції відіграють ключову роль, зокрема високотемпературні надпровідники.

Професор сер Андрій Гейм (Andre Geim) підкреслює, що його особистий інтерес пов’язаний насамперед із високотемпературною надпровідністю — бажано за кімнатної температури або вище. Поточний експеримент проводили за настільки низьких температур, що навіть гелій переходить у рідкий стан.

На думку Гейма, без глибокого розуміння того, як саме працює надпровідність, навряд чи вдасться досягти кімнатних температур і зробити це явище по-справжньому комерційно корисним. Він зазначає, що нинішнє дослідження є лише невеликим, але важливим кроком до з’ясування механізму «екзотичної» надпровідності в графені.

Роботу опубліковано в журналі Physical Review X.

Наука