Chodzi o tzw. romboedryczny grafen z czterech warstw, w którym elektrony są nierównomiernie rozmieszczone pomiędzy dwoma dolinami energetycznymi. To potencjalna rewolucja, wszak nadprzewodnictwo jest stanem, w którym prąd elektryczny może płynąć bez oporu. W klasycznych nadprzewodnikach zjawisko to pojawia się w niskich temperaturach, gdy elektrony łączą się w pary Coopera. Współczesna fizyka zna jednak również materiały, których zachowania nie da się łatwo wyjaśnić za pomocą standardowego opisu nadprzewodnictwa.
Czytaj też: Fizycy rozwiązali zagadkę mionu. Teraz mają kolejny problem
To właśnie te niekonwencjonalne przypadki są szczególnie interesujące, ponieważ mogą pomóc w opracowaniu materiałów działających w wyższych temperaturach. Naukowcy stojący za artykułem zamieszczonym w Physical Review Letters skupili się na romboedrycznym grafenie czterowarstwowym, w którym dochodzi do spontanicznego zaburzenia równowagi pomiędzy dwiema dolinami energetycznymi. Doliny te są związane ze sobą przez symetrię odwrócenia czasu. Jeżeli elektrony zaczynają preferować jedną z nich, symetria ulega załamaniu.
Ma to ogromne znaczenie dla nadprzewodnictwa. Dotychczasowe modele często zakładały zachowanie symetrii odwrócenia czasu. Badacze chcieli więc sprawdzić, jak wyglądałoby tworzenie się par Coopera w sytuacji, gdy ta podstawowa symetria przestaje obowiązywać. W tym celu Mathias Scheurer, Maine Christos i Pietro M. Bonetti opracowali teoretyczne ramy pozwalające analizować różne możliwości powstawania nadprzewodnictwa w takim materiale. Szczególną uwagę zwrócili na pary elektronów, których całkowity pęd nie jest równy zeru.
Co istotne, w konwencjonalnych nadprzewodnikach elektrony tworzące parę Coopera zazwyczaj poruszają się w przeciwnych kierunkach. Ich pędy wzajemnie się znoszą, dzięki czemu para ma zerowy pęd. W objętym badaniami grafenie sytuacja może być znacznie bardziej skomplikowana. Pary mogą powstawać przy niezerowych pędach, co prowadzi do struktur o nietypowej okresowości.
Obliczenia sugerują, iż nadprzewodnictwo może w tym przypadku pojawić się jednocześnie dla kilku różnych wartości pędu. W efekcie pary Coopera mogłyby spontanicznie tworzyć uporządkowaną strukturę przypominającą nadprzewodzącą superkratę. Nie jest to jedyna niezwykła właściwość przewidywana przez badaczy. Ich model wskazuje również na możliwość powstania szczególnej topologii nadprzewodnika. Topologia w fizyce opisuje właściwości układu, które pozostają zachowane nawet wtedy, gdy jego szczegóły zostają stopniowo zmienione. W przypadku nadprzewodników może prowadzić do bardzo nietypowych zachowań elektronów i stanów materii.
Czytaj też: Naukowcy badają nowe źródło energii. Ich silnik przenosi prawa termodynamiki do kwantowego świata
Autorzy mówią o intrygującej zależności pomiędzy chiralnością grafenu a chiralnością powstającego nadprzewodnika. Chiralność oznacza w tym kontekście właściwość układu, której nie można przekształcić w jej lustrzane odbicie wyłącznie poprzez obrót. Przewidują również możliwość spontanicznego powstania sieci wirów. W typowych nadprzewodnikach wiry pojawiają się po przyłożeniu odpowiednio silnego pola magnetycznego. W analizowanym grafenie podobna struktura mogłaby powstać nawet bez zewnętrznego pola magnetycznego.
Jeżeli przewidywania okażą się prawidłowe, kolejnym etapem badań będzie poszukiwanie charakterystycznej przestrzennej superkraty powstającej w materiale. Jej wykrycie byłoby ważnym potwierdzeniem teoretycznego modelu i jednocześnie dowodem na istnienie bardzo nietypowej fazy nadprzewodnictwa. Ale zanim tak się stanie, konieczne będzie zbadanie, jak przewidywany stan grafenu reaguje na światło oraz jak wpływają na niego różnego rodzaju niejednorodności i celowo wprowadzane struktury, takie jak złącza tunelowe.
Źródło: Physical Review Letters
