У лабораторії Корнеллського університету вчені випадково натрапили на матеріал, який поводиться так, ніби в ньому одночасно співіснують два протилежні світи електронів. Йдеться про ромбоедричний шестишаровий графен — шість листів вуглецю, укладених зі зсувом у повторюваному візерунку. Замість того щоб вивчати скручені шари, дослідники отримали рівний стос, і саме він відкрив несподівані квантові фази.
Графен давно відомий своєю міцністю та провідністю, але коли шари укладаються певним чином, електрони починають взаємодіяти один з одним значно сильніше. У шестишаровій версії за певної густини носіїв заряду та зовнішнього електричного поля виникає режим, де електрони й дірки співіснують і сильно корелюють. Це нагадує натовп людей, де кожен впливає на рух сусіда, а не просто йде у своїх справах.
Вимірювання показали зникнення електричного опору — ознаку надпровідності — та аномальний ефект Холла, що вказує на орбітальний магнетизм. Два надпровідні стани виникли саме там, де електрони й дірки перетинаються. Вочевидь, їхня взаємодія відіграє ключову роль у формуванні цих фаз, чого не спостерігали в п'ятишаровому графені.
Пристрій помістили між шарами нітриду бору й керували полем затворів. Змінюючи температуру, магнітне поле та концентрацію носіїв, команда побудувала докладну фазову діаграму. На ній чітко видно ізолятори, спричинені взаємодіями, області надпровідності та два типи орбітального магнетизму. Результати опубліковано в Nature Physics.
Відкриття важливе не лише для фундаментальної фізики. Розуміння того, як взаємодія електронів і дірок породжує надпровідність без традиційних механізмів, може наблизити створення матеріалів, що працюють за вищих температур. Такі матеріали знадобляться в квантових комп'ютерах, енергоефективних лініях передавання та нових сенсорах.
Зараз дослідники заглиблюються в природу орбітального магнетизму. Вони перевіряють гіпотезу, що частина носіїв утворює кристалоподібну структуру, а решта залишається в рідиноподібному стані. Ці питання виходять за межі поточної роботи, але вже зараз ясно: шестишаровий графен став новим майданчиком для вивчення квантових кореляцій.
Випадкове відкриття ще раз нагадує, що у світі двовимірних матеріалів достатньо змінити число шарів або їхнє взаємне розташування — і звичні властивості перетворюються на щось цілком нове.
