W laboratorium Uniwersytetu Cornella naukowcy przypadkowo natrafili na materiał, który zachowuje się tak, jakby współistniały w nim jednocześnie dwa przeciwne światy elektronów. Mowa o romboedrycznym sześciowarstwowym grafenie — sześciu arkuszach węgla ułożonych z przesunięciem w powtarzającym się wzorze. Zamiast badać skręcone warstwy, badacze otrzymali równy stos i właśnie on ujawnił nieoczekiwane fazy kwantowe.
Grafen od dawna znany jest ze swojej wytrzymałości i przewodności, ale gdy warstwy układają się w określony sposób, elektrony zaczynają oddziaływać ze sobą znacznie silniej. W wersji sześciowarstwowej przy określonej gęstości nośników ładunku i zewnętrznym polu elektrycznym powstaje reżim, w którym elektrony i dziury współistnieją i silnie korelują. Przypomina to tłum ludzi, w którym każdy wpływa na ruch sąsiada, a nie po prostu idzie własnymi ścieżkami.
Pomiary wykazały zanik oporu elektrycznego — oznakę nadprzewodnictwa — oraz anomalny efekt Halla, wskazujący na magnetyzm orbitalny. Dwa stany nadprzewodzące powstały dokładnie tam, gdzie elektrony i dziury się przecinają. Najwyraźniej ich oddziaływanie odgrywa kluczową rolę w tworzeniu tych faz, czego nie obserwowano w pięciowarstwowym grafenie.
Urządzenie umieszczono między warstwami azotku boru i sterowano polem bramek. Zmieniając temperaturę, pole magnetyczne i koncentrację nośników, zespół zbudował szczegółowy diagram fazowy. Widać na nim wyraźnie izolatory wywołane oddziaływaniami, obszary nadprzewodnictwa oraz dwa rodzaje magnetyzmu orbitalnego. Wyniki opublikowano w Nature Physics.
Odkrycie jest ważne nie tylko dla fizyki fundamentalnej. Zrozumienie, w jaki sposób oddziaływanie elektronów i dziur rodzi nadprzewodnictwo bez tradycyjnych mechanizmów, może przybliżyć stworzenie materiałów działających w wyższych temperaturach. Takie materiały przydadzą się w komputerach kwantowych, energooszczędnych liniach przesyłowych i nowych czujnikach.
Obecnie badacze zgłębiają naturę magnetyzmu orbitalnego. Sprawdzają hipotezę, że część nośników tworzy strukturę przypominającą kryształ, a pozostałe pozostają w stanie przypominającym ciecz. Te pytania wykraczają poza obecną pracę, ale już teraz jasne jest, że sześciowarstwowy grafen stał się nową platformą do badania korelacji kwantowych.
Przypadkowe odkrycie po raz kolejny przypomina, że w świecie materiałów dwuwymiarowych wystarczy zmienić liczbę warstw lub ich wzajemne ułożenie — a znane właściwości zamieniają się w coś zupełnie nowego.
