Физики нашли уникальный сверхпроводник прямо в грифеле из карандаша

Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) совершили прорыв, обнаружив в обычном графите — материале, из которого состоит грифель карандаша — редкий материал: хиральный сверхпроводник, который проводит ток без потерь и обладает магнитными свойствами.

Новое открытие, опубликованное в журнале Nature, может привести к созданию новых квантовых компьютеров и энергоэффективных технологий.

Сверхпроводники — материалы, проводящие электричество без сопротивления, что означает нулевые потери энергии. Обычно они отталкивают магнитные поля (эффект Мейсснера), как вода отталкивает масло. Однако команда MIT обнаружила в ромбоэдрическом графене — особой форме графита с «лестничной» укладкой 4–5 слоев графена — сверхпроводник, который сам действует как магнит. 

Исследователи изолировали микроскопические чешуйки ромбоэдрического графена (размером в доли микрометра) и охладили их до –273 °C. При таких условиях материал показал нулевое сопротивление, характерное для сверхпроводников.

Удивительно было то, что при изменении внешнего магнитного поля чешуйки переключались между двумя сверхпроводящими состояниями, как магнит, меняющий полярность. Это поведение, отсутствующее в других сверхпроводниках, наблюдалось в шести образцах. Критическое магнитное поле достигало 1,4 тесла — выше, чем у других графеновых сверхпроводников.

Хиральный сверхпроводник нарушает симметрию времени, а его электронные пары (куперовские пары) вращаются в одном направлении — по или против часовой стрелки, создавая внутренний магнетизм.

Сверхпроводники и магниты традиционно считались несовместимыми: магнитное поле разрушает сверхпроводимость, разрывая электронные пары.

В этом материале электроны в парах ведут себя необычно: они как будто «вращаются» в одну сторону, как маленькие магниты, и при этом движутся по особой траектории, которую ученые называют «долиной». Это делает графен очень интересным кандидатом для создания особого типа сверхпроводников — топологических. Они могут поддерживать так называемые майорановские фермионы — это частицы, которые помогут создать более наднжные и устойчивые квантовые компьютеры.

Открытие может привести к созданию стабильных квантовых битов (кубитов), улучшенных МРТ-магнитов и энергоэффективной электроники, снижающей энергопотребление на 20–30 %.

Простота системы — углеродные атомы в графене — делает открытие уникальным.

Ученые планируют изучить, как повысить температуру сверхпроводимости и создать масштабируемые устройства.