В 2024 году физики сделали несколько поразительных открытий в области сверхпроводимости, обнаружив её сразу в трёх новых вариантах двумерных материалов. Два случая можно объяснить с известными, хоть и расширенными теоретическими моделями, но третий переворачивает привычную картину с ног на голову. Как отметил физик из Гарвардского университета Ашвин Вишванат, речь идёт о феномене сверхпроводимости, который ещё недавно считался невозможным. Эти неожиданные результаты не только усложняют нашу теоретическую картину, но и усиливают надежды на понимание того, как достичь сверхпроводящего режима при более мягких условиях, что может привести к революционным технологиям — от идеальных проводов до левитирующих транспортных систем.

Новые горизонты сверхпроводимости

С тех пор как в 1911 году голландский учёный Хейке Камерлинг-Оннес впервые наблюдал исчезновение электрического сопротивления при низких температурах, сверхпроводимость притягивает внимание физиков. Главный вопрос — каким образом электроны, которые должны отталкиваться друг от друга, вдруг начинают образовывать так называемые куперовские пары? Классическая теория БКШ (Бардин — Купер — Шриффер), сформулированная в 1957 году, предполагает, что при низких температурах и ослабленных колебаниях решётки электроны могут взаимодействовать через фононы (колебания атомной решётки), что приводит к их спариванию.

Однако эта картина оказалась неполной. В 1980-е годы были обнаружены «высокотемпературные» сверхпроводники (куприаты), в которых образование пар не укладывалось в рамки фононной модели. С тех пор теоретики и экспериментаторы пытаются понять другие механизмы, позволяющие электронам объединяться. В игру вступили новые типы материалов — двумерные «лепестки» атомов, вроде графена, которые можно накладывать друг на друга под различными углами. Деформируя угол поворота слоёв, меняя электрические поля и концентрацию носителей, физики получили уникальный «конструктор» для изучения разнообразных квантовых состояний, включая сверхпроводимость.

Магический угол и за его пределами

В 2018 году Пабло Харильо-Эрреро из MIT показал, что два слоя графена, повернутые под «магическим углом» около 1,1°, могут переходить в сверхпроводящее состояние. Позже было замечено, что и другие конфигурации графена без магического угла тоже способны проявлять сверхпроводимость. Эти открытия дали мощный толчок исследованиям: поскольку двумерные материалы легко модифицировать, у учёных появилась возможность буквально «играться» с параметрами и видеть, как тот или иной сдвиг влияет на электроны.

В этом году физики обнаружили новые проявления сверхпроводимости в иных двумерных материалах, отличных от графена, и даже выявили совсем экзотический вариант, полностью выходящий за рамки привычных представлений. Всё это говорит о том, что природа электронного спаривания богаче и разнообразнее, чем мы думали ранее.

Сверхпроводимость в TMD: теоретическая идея и экспериментальное подтверждение

Команда Кори Дина из Колумбийского университета занималась двухслойными структурами переходных дихалькогенидов металлов (TMD) — это двумерные кристаллы с сотовой решёткой из разных атомов. Ещё в 2020 году они зафиксировали намёк на сверхпроводимость, но сигнал был неустойчивым. Теоретики Лян Фу и Константин Шраде предположили, что тут фононы не играют главной роли. Вместо них ключевым фактором может быть само электрон-электронное взаимодействие при определённой электронной концентрации.

Недавно, усовершенствовав эксперименты, группа Дина надёжно наблюдала сверхпроводимость в такой скрученной системе TMD. Это укрепило теорию, согласно которой механизмы, подобные антиферромагнитным корреляциям при определённом заполнении слоёв электронами, могут «переключать» материал в сверхпроводящее состояние.

Но это ещё не всё: другая команда из Корнеллского университета под руководством Цзе Шань и Кин Фая Мака нашла ещё более необычную сверхпроводимость в том же семействе TMD. Им не пришлось вводить дополнительных электронов — достаточно было изменить внешнее электрическое поле. Это намекает на совершенно новый тип спаривания, который не объясняется стандартными теориями и, возможно, потребует новых подходов.

Экзотическая хиральная сверхпроводимость в графене

В третьем удивительном примере команда Луна Цзю из MIT обнаружила сверхпроводимость в графеновых слоях, расположенных особым образом «лесенкой». В этом случае сверхпроводимость ведёт себя крайне странно: её можно «подкрепить» приложенным магнитным полем, которое в обычных условиях должно разрушать спаренные электронные пары. Учёные предполагают, что они имеют дело с «хиральной» сверхпроводимостью, где куперовские пары вращаются, причём все в одном направлении — что ранее считалось невозможным. Хотя для окончательного подтверждения нужны дополнительные эксперименты, эта находка уже стимулирует новые теоретические модели, пытающиеся объяснить, как возникают такие состояния.

Будущее: универсальные законы и практические цели

Новые наблюдения показывают, что сверхпроводимость может возникать из множества разных предпосылок: от фононных взаимодействий до чисто электронных эффектов и сложных квантовых состояний, выходящих за грань привычных моделей. Благодаря «конструкторам» на основе двумерных материалов исследователи могут быстро переключать системы между разными фазами, создавая идеальную среду для испытаний всевозможных сценариев.

Эти результаты дают богатую почву для теоретиков, которые должны будут предложить предсказуемые модели сверхпроводимости, после чего экспериментаторы смогут проверить их на практике. Когда мы полностью поймём механизмы, рождающие сверхпроводимость, дорога к созданию устойчивых к внешним условиям сверхпроводников будет открыта. Это не только увлечёт фундаментальных учёных, но и приблизит к реальности новые технологии: идеальные энергосети без потерь, квантовые компьютеры и магнитно левитирующие поезда.

На данный момент эксперимент движется быстрее теории: каждый год приносит всё более экзотические открытия. Но именно сочетание новых данных и творческого теоретического подхода, вероятно, приведёт нас к всеобъемлющему пониманию одного из самых захватывающих явлений квантовой физики.