Надпровідність надчистого графіту
Костянтин Новосьолов та Андрій Гейм виявили, що бруски з надчистого графіту мають приблизно тими ж квантовими властивостями, що і їх плоский «кузен» графен. Це відкриває дорогу для створення «кімнатних» надпровідників, пишуть вчені в журналі Nature Physics. Про це повідомляє РИА Новости.
«Колеги десятиліттями експериментували з графітом, вважаючи його «філософським каменем», який може принести нам всі можливі і неможливі фізичні феномени, в тому числі кімнатну надпровідність. Ми показали, що це дійсно можливо, якщо створити дуже чистий матеріал такого типу», — заявив Андрій Гейм з Манчестерського університету (Великобританія). Особливо-чистий графіт - це безліч зшитих між собою шарів графена.
Графен являє собою одиночний шар атомів вуглецю, з'єднаних між собою структурою хімічних зв'язків, що нагадують по своїй геометрії структуру бджолиних сот. За його створення і вивчення його унікальних характеристик Костянтин Новосьолов та Гейм, вихідці з Росії, які працюють у Британії, отримали Нобелівську премію 2010 року з фізики.
Одне з головних незвичайних властивостей «нобелівського вуглецю» полягає в тому, що всередині нього спостерігається так званий квантовий ефект Холла. Він виражається в тому, що рух електронів в графені або будь-якому іншому матеріалі з аналогічними властивостями впорядковано таким чином, що його провідність змінюється стрибкоподібним чином, прямуючи на дуже точні, ідеально вивірені «квантові значення при накладанні магнітного поля.
У минулому, вчені вважали, що цей ефект виникає тільки при охолодженні провідників до абсолютного нуля, однак відкриття графену показало, що він може виникати і при кімнатних температурах. Це відкриття одразу ж змусило вчених задуматися про те, чи можна перетворити знахідку Гейма і Новосьолова, а також інші плоскі структури, у високотемпературний надпровідник.
Російсько-британські фізики випадково з'ясували, що аналогічні квантові властивості і високотемпературна надпровідність можуть бути характерні і для графіту, «дідуся» графену, експериментуючи зі своєрідними «бутербродами» з цього вуглецевого матеріалу і двох плівок з «плоского» нітриду бору.
Виростивши кілька надзвичайно рівних і чистих брусків графена, вчені помістили подібну конструкцію в прилад, призначений для спостережень за поведінкою електронів у них і вимірювання «звичайного» ефекту Холла, що виникає в напівпровідниках при їх попаданні в магнітне поле.
«Ми були украй здивовані тим, що ці досліди зафіксували наявність квантового ефекту Холла в цьому бруску, дуже чіткі рівні провідності, а також нулевовое опір вздовж довгого кінця. Цього не повинно відбуватися, так як наш графен був досить товстим для того, щоб вести себе як звичайний «тривимірний» напівметали, де цей феномен заборонений», — додає Володимир Фалько, фізик-теоретик і колега Гейми.
Що ж тоді породило квантовий ефект Холла? Як припускають учені, він виник з тієї причини, що ідеально чистий графен веде себе не як тривимірний, а 2,5-мірний матеріал, «схлопывающийся» в якусь подобу двовимірного графена при попаданні в досить сильне магнітне поле, близько семи тесла.
Це відбувалося через те, що всередині бруска графіту виникали своєрідні стоячі електронні хвилі, «зшиваючи» між собою поодинокі верстви графену і змушують їх електрони взаємодіяти один з одним певним чином.
На користь цього говорить те, що квантовий ефект Холла слабшав або зникав, якщо число шарів в матеріалі було непарним, так як це заважало формуванню та взаємодії мінімумів і максимумів цих хвиль. При всьому цьому, графіт поводився подібним чином навіть у тому випадку, якщо число шарів в ньому наближалося до сотні.
Що ще дивніше, охолодження «бутерброда» до близьконульових температур посилювало квантові ефекти і породжувало ситуацію, в якій всередині графіту виникали віртуальні переносники струму, особливий тип квазічастинок, чий заряд був менше, ніж у електрона.
Їх існування, як зазначають фізики, дає надію на створення нових надпровідників на базі цієї форми вуглецю. Найближчим часом Гейм і його колеги вивчать інші типи «чистого» графену з дещо іншою упаковкою шарів, які можуть приховувати в собі інші дивовижні квантові ефекти.
