Константин Новоселов и Андрей Гейм обнаружили, что бруски из сверхчистого графита обладают примерно теми же квантовыми свойствами, что и их плоский "кузен" графен. Это открывает дорогу для создания "комнатных" сверхпроводников, пишут ученые в журнале Nature Physics.
"Коллеги десятилетиями экспериментировали с графитом, считая его "философским камнем", который может принести нам все возможные и невозможные физические феномены, в том числе комнатную сверхпроводимость. Мы показали, что это действительно возможно, если создать очень чистый материал такого типа", — заявил Андрей Гейм из Манчестерского университета (Великобритания).
Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой структурой химических связей, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот. За его создание и изучение его уникальных характеристик Константин Новоселов и Гейм, выходцы из России, работающие в Британии, получили Нобелевскую премию 2010 года по физике.
Одно из главных необычных свойств "нобелевского углерода" заключается в том, что внутри него наблюдается так называемый квантовый эффект Холла. Он выражается в том, что движение электронов в графене или любом другом материале с аналогичными свойствами упорядочено таким образом, что его проводимость меняется скачкообразным образом, сдвигаясь на очень точные, идеально выверенные "квантовые" значения при приложении магнитного поля.
В прошлом, ученые считали, что этот эффект возникает только при охлаждении проводников до абсолютного нуля, однако открытие графена показало, что он может возникать и при комнатных температурах. Это открытие сразу же заставило ученых задуматься о том, можно ли превратить находку Гейма и Новоселова, а также другие "плоские" структуры, в высокотемпературный сверхпроводник.
Российско-британские физики случайно выяснили, что аналогичные квантовые свойства и высокотемпературная сверхпроводимость могут быть характерны и для графита, "дедушки" графена, экспериментируя со своеобразными "бутербродами" из этого углеродного материала и двух пленок из "плоского" нитрида бора.
Вырастив несколько чрезвычайно ровных и чистых брусков графена, ученые поместили подобную конструкцию в прибор, предназначенный для наблюдений за поведением электронов в них и измерения "обычного" эффекта Холла, возникающего в полупроводниках при их попадании в магнитное поле.
"Мы были крайне удивлены тому, что эти опыты зафиксировали наличие квантового эффекта Холла в этом бруске, очень четкие уровни проводимости, а также нулевовое сопротивление вдоль его длинного конца. Этого не должно было происходить, так как наш графен был достаточно толстым для того, чтобы вести себя как обычный "трехмерный" полуметалл, где этот феномен запрещен", — добавляет Владимир Фалько, физик-теоретик и коллега Гейма.
Что же тогда породило квантовый эффект Холла? Как предполагают ученые, он возник по той причине, что идеально чистый графен ведет себя не как трехмерный, а 2,5-мерный материал, "схлопывающийся" в некое подобие двумерного графена при попадании в достаточно сильное магнитное поле, около семи тесла.
Это происходило по той причине, что внутри бруска графита возникали своеобразные стоячие электронные волны, "сшивающие" между собой одиночные слои графена и заставляющие их электроны взаимодействовать друг с другом определенным образом.
В пользу этого говорит то, что квантовый эффект Холла ослабевал или исчезал, если число слоев в материале было нечетным, так как это мешало формированию и взаимодействию минимумов и максимумов этих волн. При всем этом, графит вел себя подобным образом даже в том случае, если число слоев в нем приближалось к сотне.
Что еще удивительнее, охлаждение "бутерброда" до околонулевых температур усиливало квантовые эффекты и порождало ситуацию в которой внутри графита возникали виртуальные переносчики тока, особый тип квазичастиц, чей заряд был меньше, чем у электрона.
Их существование, как отмечают физики, дает надежду на создание новых сверхпроводников на базе этой формы углерода. В ближайшее время Гейм и его коллеги изучат другие типы "чистого" графена с несколько иной упаковкой слоев, которые могут скрывать в себе другие удивительные квантовые эффекты.
По информации https://ria.ru/20190225/1551347129.html
Обозрение "Terra & Comp".
