Сдвиговая деформация в графене с магическим углом: как она меняет плоские зоны

Сдвиговая деформация в двухслойном графене с магическим углом кручения способна кардинально изменить структуру плоских зон, определяющих сверхпроводимость и другие экзотические свойства. Исследователи из Принстонского университета и Национального института стандартов и технологий (NIST) впервые напрямую показали, что даже небольшая деформация сдвига уширяет плоские зоны и меняет их топологию. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics и открывают путь к контролю квантовых свойств этого материала.

Как устроен графен с магическим углом

Материал, известный как магический угол графена, состоит из двух слоёв графена, повёрнутых друг относительно друга примерно на 1,1 градуса. При таком точном угле в электронной структуре возникают плоские зоны — области, где энергия электронов почти не зависит от импульса. В этих зонах электроны становятся сильно коррелированными, что приводит к необычным явлениям: сверхпроводимости, изоляторным состояниям и магнитным фазам. Открытие сверхпроводимости в 2018 году группой Пабло Харильо-Эрреро из Массачусетского технологического института вызвало огромный интерес, но воспроизводимость экспериментов часто страдала из-за неконтролируемых механических деформаций.

Сдвиговая деформация — один из ключевых факторов, который ранее оставался в тени. Она возникает, когда верхний слой графена смещается относительно нижнего не только по углу, но и по направлению, подобно тому как карта сдвигается относительно стола. Это приводит к анизотропии электронных свойств: материал перестаёт быть однородным в разных направлениях. Новое исследование впервые напрямую связывает сдвиговую деформацию с изменением плоских зон, показывая, что контроль этого параметра необходим для стабильных сверхпроводящих структур.

Почему сдвиговая деформация так важна для плоских зон?

Команда под руководством профессора Али Яздани из Принстонского университета использовала сканирующий туннельный микроскоп (STM) с атомным разрешением при температуре 4 К. Они измерили плотность электронных состояний в образцах с углами кручения от 0,9 до 1,3 градуса, то есть в нескольких режимах магического угла. Сдвиговая деформация варьировалась от 0 до 0,5 процента. Оказалось, что при увеличении деформации плоские зоны уширяются и теряют свою изолированность. Например, изменение сдвига на 0,1 процента может увеличить ширину плоской зоны вдвое. Это означает, что корреляционные эффекты, ответственные за сверхпроводимость, могут ослабевать или исчезать. Кроме того, топология зон меняется: из однородной она становится асимметричной, что влияет на квантовые состояния и может индуцировать переходы между различными топологическими фазами.

Технические аспекты эксперимента

Измерения проводились на образцах, изготовленных методом механического отслаивания графена и сборки на подложке из гексагонального нитрида бора. Сдвиговая деформация возникала естественным образом из-за несоответствия решёток подложки и верхнего слоя графена. Учёные использовали STM для картирования электронной структуры с высоким разрешением, а затем сопоставили данные с теоретическими расчётами на основе модели сильной связи. Совпадение оказалось хорошим, что подтверждает правильность интерпретации. Эксперименты показали, что даже при фиксированном угле кручения изменение сдвига на 0,1 процента может изменить ширину плоской зоны в два раза, а при некоторых значениях деформации плоские зоны полностью разрушаются.

Как сдвиговая деформация влияет на сверхпроводимость?

Следующим шагом станет изучение влияния сдвиговой деформации на сверхпроводящие свойства. Планируется провести измерения при более низких температурах и в магнитных полях. Учёные надеются разработать методы контроля сдвиговой деформации в процессе синтеза, чтобы получать образцы с заданными свойствами. В долгосрочной перспективе это может привести к созданию новых квантовых материалов, где сверхпроводимость будет стабильной и управляемой. Для физиков, изучающих сильно коррелированные системы и топологические материалы, это открытие означает необходимость учёта сдвиговой деформации в теоретических моделях и экспериментах.

Кого затронет и как

Результаты важны для разработчиков устройств на основе графена, таких как сверхпроводящие транзисторы или квантовые сенсоры. Точный контроль механических деформаций при изготовлении становится критическим. В России и странах СНГ исследования графена ведутся в ряде институтов, например в Институте физики твёрдого тела РАН. Новые данные могут быть полезны для корректировки экспериментов и теоретических моделей, а также для создания более стабильных сверхпроводящих структур.

Итог

Сдвиговая деформация оказалась критическим фактором, определяющим электронную структуру графена с магическим углом. Контроль этой деформации позволит точнее настраивать свойства материала для фундаментальных исследований и потенциальных применений в квантовых технологиях. Следите за новостями — в этой области нас ждёт ещё много открытий.