
Группа физиков из США, Испании, Австрии, Австралии и Китая впервые выделила изменения электронного строения
двумерного сверхпроводника при понижении его размерности, то есть при переходе
от объемного материала к однослоевому. Оказалось, что в монослоевом материале
отсутствуют некоторые из энергетических зон объемного материала, которые могут
отвечать за сверхпроводимость.  Работа
опубликована в журнале Nature Physics,
пресс-релиз доступен на сайте исследовательского центра NANOGUNE.
Халькогениды переходных металлов, в том числе и селенид
ниобия NbSe2,
показывают сильную разницу между свойствами объемных материалов (3D) и структур, состоящих из
всего одного кристаллического слоя (2D). Ранее, например, ученые открыли сверхпроводимость в монослое
селенида железа FeSe,
причем его критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние (TC) составила
порядка 100К, что больше чем в десять раз превышает TC объемного
материала (~
8К). Но свойства FeSe
сильно зависели от материала подложки и разделить, какой именно вклад в сверхпроводимость
вносит сам материал, и как влияет на него подложка из титаната стронция, было
довольно сложно.
При понижении размерности в NbSe2теоретические расчеты
предсказывают наличие фазового перехода металл-полуметалл, который определяется
по изменению электронной структуры вещества. В отдельных атомах энергия
электронов может принимать только определенные дискретные значения – их
называют энергетическими уровнями. Они бывают «реальными», то есть на которых
есть электроны, или «виртуальными», на которые электроны могут перейти при
каком-то внешнем воздействии. В твердом теле отдельные атомные уровни
«размываются» в большие энергетические зоны. Эти зоны во многом определяет
свойства вещества: если последняя из «реальных» зон заполнена электронами
только частично – вещество является проводником; если она заполнена полностью,
а до ближайшей «виртуальной» есть промежуток в несколько электрон-вольт –
полупроводником или диэлектриком. При переходе от трех- к двухмерному NbSe2 первая
«виртуальная» зона начинает перекрываться с последней заполненной, образуя
состояние, называемое полуметаллом. 
Определение параметров электронной структуры – то есть
геометрического расположения зон и их энергетический спектр – является одним из
важнейших этапов при описании проводящих свойств твердых тел, в том числе и
сверхпроводимости. Но какие именно особенности зонной структуры отвечают этому
явлению – до сих пор остается предметом дискуссий. Поэтому одной из задач,
которую поставили себе авторы, стало определение изменений, которые происходят
в электронной структуре при понижении размерности сверхпроводника NbSe2 с 3D до
2D.  
Для этого авторы вырастили монослой NbSe2 на подложке,
представляющей собой двойной графеновый слой и сравнили полученные данные с
объемным материалом. В первую очередь, ученые выделили вклад, который вносит в
измерения подложка и доказали, что NbSe2 не образует с ней прочных химических
связей.  Доказательство проводили,
сравнивая данные разных образцов, которые отличались взаимным расположением изучаемого
монослоя и подложки: если бы она оказывала сильное влияние, то результаты
измерений зависели бы от того, как именно смещены друг относительно друга эти
кристаллические структуры. Это позволило сделать предположение о независимости
поведения электронных систем материалов и получить данные для чистого
двухмерного селенида ниобия. 
Электронная структура (расположение и энергия)
энергетических зон была определена комбинацией методов сканирующей туннельной
микроскопии/спектроскопии и фотоэмиссионной спектроскопии с угловым
разрешением, вместе позволяющим по анализу возможных электронных переходов (из
зоны в зону) восстановить зонную структуру. Было показано, что энергетические
зоны действительно перекрываются на величину, предсказанную ранее теоретически.
С другой стороны, было измерено, что при понижении
размерности с 3D до 2D критическая температура понижается с 7,2 до 1,9 К. На текущим момент причина такого поведения неизвестна, но авторами исследования
был сделан вывод, что энергетические зоны, отсутствующие в двухмерном NbSe2 играют
ключевую роль в сверхпроводимости объемного образца.Сверхпроводники - материалы, сопротивление которых считается абсолютным нулем (по крайней мере, его значение оказывается ниже чувствительности современных приборов). Однако в известных на данных момент материалах этот эффект проявляется только при очень низких температурах, и ученые не прекращают поиск все новых материалов, которые бы имели более высокую TC. Исследователи считают, что изучение механизмов, которые могут подавлять или усиливать сверхпроводимость, позволит им продвинуться в понимании этого явления. Екатерина Митрофанова
