Исследование сверхпроводимости в муаровых сверхрешётках представляет собой одно из наиболее динамично развивающихся направлений современной физики конденсированного состояния. Эти структуры возникают при наложении двух или более кристаллических решёток с небольшим углом закручивания или несоответствием параметров, что приводит к формированию периодического муарового узора. Например, в случае графена, два слоя, повёрнутые относительно друг друга на «магический угол» около 1,1 градуса, демонстрируют уникальные электронные свойства, недостижимые в одиночных слоях. Такие системы становятся полигоном для изучения сильных электронных корреляций, открывая путь к новым квантовым явлениям, включая нетрадиционную сверхпроводимость.
Схематическое изображение для бислойных графеновых дисков, показывающие вид сбоку (a) и вид сверху (b) с двумя типичными последовательностями укладки: точно выровненными (AA) и относительно сдвинутыми (AB). Источник: https://core.ac.uk/reader/43256880
Основной принцип, лежащий в основе сверхпроводимости в муаровых сверхрешётках, связан с модификацией электронной структуры материала. При определённых условиях, таких как специфические углы закручивания или механическая деформация, в зонной структуре возникают «плоские зоны» — области с крайне низкой дисперсией энергии. Это резко усиливает взаимодействия между электронами, подавляя их кинетическую энергию и делая доминирующими корреляционные эффекты. В результате система может переходить в состояния, напоминающие изоляторы Мотта, а при дополнительном допировании — например, с помощью электрического поля или изменения концентрации носителей — в сверхпроводящее состояние. Ключевым параметром здесь является «магический угол», при котором корреляции достигают максимума, что было впервые продемонстрировано в экспериментах с твистированным двухслойным графеном в 2018 году.
Это открытие стало поворотным моментом, поскольку показало, что сверхпроводимость может возникать в системах, где традиционные механизмы, такие как электрон-фононное взаимодействие в рамках теории БКШ, не являются доминирующими. Последующие исследования расширили класс материалов, демонстрирующих аналогичные свойства: от графена до гетероструктур на основе дихалькогенидов переходных металлов, таких как MoS₂ или WSe₂. Например, в сверхрешётках на основе нитрида бора и трёхслойного графена удалось достичь критических температур сверхпроводимости, превышающих 3 К, что указывает на потенциал для дальнейшей оптимизации. Кроме того, эксперименты с приложением гидростатического давления продемонстрировали возможность управления сверхпроводящими свойствами без изменения угла закручивания, открывая новые пути для инженерного подхода к материалам.
Однако механизмы, ответственные за сверхпроводимость в муаровых системах, остаются предметом интенсивных дискуссий. Некоторые теоретические модели предполагают участие экзотических квантовых состояний, таких как спиновые жидкости или топологические фазы, в то время как другие акцентируют роль необычных форм электрон-электронного взаимодействия. Вычислительные методы, включая квантовые монте-карловские симуляции и методы теории функционала плотности, сталкиваются с трудностями при моделировании таких сложных систем, что подчёркивает необходимость разработки новых теоретических инструментов. Параллельно экспериментаторы совершенствуют методы точного контроля углов закручивания и напряжённого состояния решёток, что критически важно для воспроизводимости результатов.
Перспективы применения муаровых сверхрешёток выходят за рамки фундаментальной науки. Управление сверхпроводимостью на атомарном уровне может привести к созданию миниатюрных сверхпроводящих устройств для квантовых вычислений или высокочувствительных сенсоров. Тем не менее, переход к практическому использованию требует преодоления ряда вызовов, включая стабилизацию сверхпроводящего состояния при более высоких температурах и интеграцию таких материалов в существующие технологические платформы. Продолжающиеся исследования не только углубляют понимание квантовой материи, но и демонстрируют, как геометрическая настройка на наноуровне способна переопределить свойства материалов, открывая новую эру в проектировании функциональных квантовых систем.