Ученые подобрали правильную конфигурацию атомов в материале
По словам Анатолия Зацепина, изгибы цепочечной структуры играют важную роль в сверхпроводимости. Фото: пресс-служба УрФУ.
Коллектив физиков из Уральского федерального университета и Гонконгского университета науки и технологий придумали, как получить сверхпроводимость наноуглерода при относительно рабочей температуре. Оказалось, что повысить температуру сверхпроводящего перехода до 115 Кельвинов (до −158 °С) можно за счет изменения геометрии материала. Описание сверхпроводимости одномерного углерода ученые опубликовали в монографии Emerging Carbyne: Truly One-Dimensional Form of Carbon. О работе и результатах рассказал соавтор работы, руководитель лаборатории «Гибридные технологии и метаматериалы» (создана по программе «Приоритет-2030») Анатолий Зацепин.
«Наноуглерод в форме моноатомной линейной цепи углерода называется карбин и является самой тонкой в мире углеродной нанопроволокой. При комнатной температуре в зависимости от структурной модификации (известны две формы карбина — кумулен и полиин) цепочечный углерод является либо полупроводником, либо хорошим проводником. При температурах жидкого гелия — 3–4 К или −270 °С — он становится сверхпроводником. Это означает, что электрический ток через линейные цепочки чистого углерода может протекать без сопротивления», — поясняет Анатолий Зацепин.
Перед учеными стояла задача — понять, как сделать так, чтобы получить 1D сверхпроводимость при температурах выше температуры жидкого азота (77 К).
«Тогда можно было бы говорить о технически реализуемых вещах, не только в лаборатории, но и в производственных условиях на ряде предприятий, где используются криогенные технологии. Реализация подобных свойств может иметь важные последствия для многих областей практической деятельности человека. Конечно, о широких промышленных масштабах применения пока говорить рано, впереди еще много работы, но здесь важно другое. В ходе нашей работы необходимо было выяснить перспективные методологические подходы к получению новых высокотемпературных сверхпроводников 1D типа», — добавляет Зацепин.
Ученые исследовали одномерные и квазиодномерные углеродные структуры и пришли к выводу, что они являются перспективными кандидатами как потенциальные высокотемпературные сверхпроводники. Первоначальный анализ для углеродных нанотрубок дал значение температуры перехода Tc = 13,9 К, хорошо согласующееся с экспериментом. Размер наноуглеродных структур варьировался с оптимизацией длин и углов связей, что позволило повысить значение Tc. Достичь необходимых свойств удалось за счет изменения локальной конфигурации атомов: физики рассчитали, что изменить температуру фазового перехода цепочечного углерода можно за счет реализации формы «корона» — кольцо, где по четыре атома внизу и по два вверху. Эти результаты демонстрируют потенциал квазиодномерных углеродных структур как новых высокотемпературных сверхпроводников.
«Сначала мы рассмотрели сверхпроводимость в одностенных углеродных нанотрубках. Выяснили, что с нанотрубками высокотемпературную сверхпроводимость получить достаточно сложно. Но главное — мы заметили, что изгибы цепочечной структуры играют важную роль — в том числе в улучшении связи между электронами и фононами — в возникновении сверхпроводимости. И, если создавать своего рода кольцо с выступами, то можно достичь точки 115 К, то есть повысить температуру на 100 °С. Иными словами, изменяя конфигурацию одномерных структур, то есть взаимное расположение атомов, мы можем так или иначе управлять такой важной характеристикой, как температура фазового перехода в сверхпроводящее состояние», — говорит Анатолий Зацепин.
По его словам, одномерный углерод привлекает внимание ученых по всему миру из-за прочностных характеристик: материал обладает чрезвычайной механической прочностью (в несколько раз выше, чем у алмаза).
По словам Зацепина, из такого материала в будущем можно получать миниатюрные магниты (например, для нанороботов), карты памяти; такой материал будет востребован в наноэлектронике, фотонике, квантовой информатике. На его основе возможно создание новейших функциональных устройств в самых различных отраслях, включая сферу биомедицинских применений.
Анна Маринович
Уральский федеральный университет — один из ведущих вузов России, расположен в Екатеринбурге. Участник проекта по созданию кампусов мирового уровня — части национального проекта «Наука и университеты», реализуемого Минобрнауки России. Университет — участник государственной программы поддержки российских вузов «Приоритет-2030», выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы».