Из карандаша в квантовый компьютер: материал будущего родился из простой углеродной пыли

Многие годы ученые считали, что сверхпроводимость и магнетизм — свойства, несовместимые в одном материале. Но недавнее открытие изменило представления о возможном: физики из MIT обнаружили вещество, сочетающее оба этих феномена.

Графен — больше, чем просто "карандашный" материал

Графен — это одноатомный слой углерода. В графите, привычном нам по карандашам, такие слои уложены со сдвигом и легко расслаиваются. Но если сложить несколько слоев графена по-другому — в форме "лестницы", где атомы выстраиваются в ромбовидные структуры, — получится ромбоэдрический графен.

Необычное поведение при экстремальных условиях

Ученые исследовали, как ведет себя структура из четырех-пяти таких слоев. При охлаждении до 300 милликельвин (почти абсолютный ноль) материал внезапно начинает проводить ток без сопротивления — как сверхпроводник. И это еще не всё.

Переключение между состояниями

Под действием внешнего магнитного поля материал меняет свои свойства — не теряя сверхпроводимости, он переключается между двумя различными сверхпроводящими состояниями. Это означает наличие собственной намагниченности — уникальное явление для сверхпроводников.

"Обычный сверхпроводник просто сохранял бы нулевое сопротивление, пока не потерял бы сверхпроводимость. Этот же материал ведёт себя как магнит, который меняет направление под действием поля", — поясняет один из авторов исследования, Зах Хаджри.

Внутренняя симфония электронов

Особенность ромбоэдрического графена — в его структуре. На сверхнизких температурах электроны двигаются медленно, начинают "чувствовать" друг друга, образуя пары. Но в отличие от обычных сверхпроводников, где электроны нейтрализуют друг друга, здесь они взаимодействуют в одной "долине" — с общим направлением движения.

Это создает вращающуюся электронную пару с ненулевым импульсом. Суммарное поведение таких пар и приводит к намагниченности внутри сверхпроводника.

"Представьте себе пару электронов, вращающихся по часовой или против часовой стрелки. Это и есть наш "магнит". Мы впервые наблюдаем сверхпроводник, поведение которого объясняется орбитальным движением электронов", — отметил Тонгхан Хан, соавтор работы.

Новый кандидат для квантовых технологий

Это открытие не просто расширяет границы физики. Хиральный сверхпроводник, проявляющий магнетизм, может стать основой для топологических квантовых вычислений — устойчивых и стабильных, что особенно важно для будущего квантовой электроники.

Уточнения

Графе́н (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом.