Сверхпроводимость и орбитальный магнетизм в шестислойном графене

Физики из Корнеллского университета в Итаке (США), Национального института материаловедения в Цубе (Япония) и Института структуры и динамики материи Общества Макса Планка в Гамбурге обнаружили набор квантовых состояний в ромбоэдрическом шестислойном графене: сверхпроводимость в нескольких областях фазовой диаграммы, коррелированные изоляторы и орбитальный магнетизм, который переключается электрическим полем. Статью 21 октября 2026 года опубликовал журнал Nature Physics. Исследование возглавил Сяомэн Лю, первыми авторами указаны Цзинхао Дэн, Цзябинь Се и Хунъюань Ли.

В интервью Phys.org Лю рассказал, что группа начинала с другой задачи: собиралась изучать скрученный ромбоэдрический графен в надежде получить изолированные топологические зоны. В одном из образцов, сложенном из двух трёхслойных листов, слои выстроились в согласованную упаковку, и получился ровно ромбоэдрический шестислойник.

Образец собирали так: стопку зажимали между плёнками нитрида бора, а сверху и снизу ставили графитовые затворы. Напряжение на затворах задавало плотность носителей заряда и поперечное электрическое поле; температуру и магнитное поле меняли в ходе измерений. Продольное сопротивление показывало, где материал становится сверхпроводником, аномальный холловский отклик указывал на орбитальный магнетизм, а квантовые осцилляции позволяли восстановить поверхность Ферми и определить, какие носители заряда есть в образце.

Что видно на фазовой диаграмме

Раньше в ромбоэдрическом графене изучали в основном режим с разделёнными зонами проводимости и валентной. Здесь авторы выбрали полуметаллический режим, где эти зоны перекрываются и при определённых полях электроны и дырки существуют в одном образце одновременно. Дырка в такой картине означает незанятое место в почти заполненной зоне, которое ведёт себя как положительный заряд.

На диаграмме в координатах «плотность носителей и поперечное поле» видны коррелированные изоляторы, несколько областей сверхпроводимости и два разных типа орбитального магнитного порядка. Орбитальный магнетизм означает, что электроны согласованно движутся по орбитам, а не выстраивают спины, как в обычном магните.

Одно из таких состояний оказалось сегнетоэлектрическим: при поле одной полярности оно резко переключалось, магнитный гистерезис обращался под действием электрического поля, а при нагреве до нескольких кельвинов он исчезал. Раньше мультиферроидность в таких плёнках видели вблизи нулевого электрического поля; это состояние переключается однополярным полем.

Отдельно авторы разобрали сверхпроводимость. Два состояния, похожие на сверхпроводящие, появлялись вблизи инверсии зон, то есть там, где зоны проводимости и валентная меняются местами, и только в областях, где одновременно существовали электронная и дырочная поверхности Ферми. Для возникающих поверхностей Ферми авторы оценили эффективные массы в 0,90 ± 0,17 и 0,46 ± 0,04 от массы электрона. У ещё одной поверхности, наиболее устойчивой к нагреву, эффективная масса оказалась 0,167 ± 0,002 от массы электрона.

В дополнительных материалах описано ещё одно состояние с температурой перехода около 80 мК и критическим полем около 1 мТ, направленным перпендикулярно образцу; сверхпроводимость подавлялась полем в плоскости образца, а область с сосуществующими поверхностями Ферми исчезала при поле выше 6 Т.

Представим условный зал, где танцуют парами, а партнёры приходят из двух разных очередей. Пока одна очередь пуста, пары не складываются. Похожая логика стоит за осторожной формулировкой статьи: два таких состояния появлялись именно там, где были и электронная, и дырочная поверхности Ферми. Совпадение областей подсказывает, что в образовании пар могут участвовать оба типа носителей, но это предположение, а не установленный механизм.

Авторы ограничивают вывод: орбитальный магнетизм они описывают феноменологической моделью связанных электрической и магнитной поляризаций и прямо пишут, что микроскопическая картина остаётся за её пределами. Измерения провели на трёх устройствах из ромбоэдрического шестислойного графена (одно собрано на диселениде вольфрама) в определённых диапазонах плотности, поля, температуры и магнитного поля. Лю говорит, что группа продолжает разбирать мультиферроидное состояние и проверяет идею, что часть носителей образует электронный кристалл, а остальные ведут себя как проводящая жидкость; это уже вопросы за рамками опубликованной работы.

Фазовая диаграмма такого образца складывается из множества измерений и сверки с предыдущими работами по трёхслойному, четырёхслойному и пятислойному графену. Тем, кто разбирает похожую тему в курсовой или статье, пригодится подбор литературы по теме, если нужно разобраться в ссылках на осцилляционные эксперименты.