В лаборатории Корнеллского университета учёные случайно наткнулись на материал, который ведёт себя так, будто в нём одновременно сосуществуют два противоположных мира электронов. Речь о ромбоэдрическом шестислойном графене — шести листах углерода, уложенных со сдвигом в повторяющемся узоре. Вместо того чтобы изучать скрученные слои, исследователи получили ровную стопку, и именно она открыла неожиданные квантовые фазы.
Графен давно известен своей прочностью и проводимостью, но когда слои укладываются определённым образом, электроны начинают взаимодействовать друг с другом гораздо сильнее. В шестислойной версии при определённой плотности носителей заряда и внешнем электрическом поле возникает режим, где электроны и дырки сосуществуют и сильно коррелируют. Это напоминает толпу людей, где каждый влияет на движение соседа, а не просто идёт по своим делам.
Измерения показали исчезновение электрического сопротивления — признак сверхпроводимости — и аномальный эффект Холла, указывающий на орбитальный магнетизм. Два сверхпроводящих состояния возникли именно там, где электроны и дырки пересекаются. По-видимому, их взаимодействие играет ключевую роль в формировании этих фаз, чего не наблюдали в пятислойном графене.
Устройство поместили между слоями нитрида бора и управляли полем затворов. Меняя температуру, магнитное поле и концентрацию носителей, команда построила подробную фазовую диаграмму. На ней чётко видны изоляторы, вызванные взаимодействиями, области сверхпроводимости и два типа орбитального магнетизма. Результаты опубликованы в Nature Physics.
Открытие важно не только для фундаментальной физики. Понимание, как взаимодействие электронов и дырок порождает сверхпроводимость без традиционных механизмов, может приблизить создание материалов, работающих при более высоких температурах. Такие материалы пригодятся в квантовых компьютерах, энергоэффективных линиях передачи и новых сенсорах.
Сейчас исследователи углубляются в природу орбитального магнетизма. Они проверяют гипотезу, что часть носителей образует кристаллоподобную структуру, а остальные остаются в жидкоподобном состоянии. Эти вопросы выходят за рамки текущей работы, но уже сейчас ясно: шестислойный графен стал новой площадкой для изучения квантовых корреляций.
Случайное открытие ещё раз напоминает, что в мире двумерных материалов достаточно изменить число слоёв или их взаимное расположение — и привычные свойства превращаются в нечто совершенно новое.
