В УрФУ узнали, как получить высокотемпературную сверхпроводимость углерода
Способ получить сверхпроводимость одномерного наноуглерода при относительно рабочей температуре нашел в ходе совместного исследования коллектив ученых Уральского федерального университета (УрФУ) и Гонконгского университета науки и технологий, 20 декабря сообщает пресс-служба УрФУ.
Исследователи установили, что повысить температуру перехода в сверхпроводящее состояние одномерного (1D) наноуглерода до 115 Кельвинов (до −158 °С) можно за счет изменения геометрии материала.
Участник проекта, руководитель лаборатории «Гибридные технологии и метаматериалы» УрФУ Анатолий Зацепин пояснил:
«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».
Исследователи поставили перед собой задачу найти перспективные методологические подходы к получению сверхпроводимости у карбина при температурах выше температуры жидкого азота (77 К), то есть к получению высокотемпературной сверхпроводимости. Поскольку, как отметил Зацепин, «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».
В ходе исследования одномерных и квазиодномерных углеродных структур ученые пришли к выводу, что эти углеродные структуры перспективны как кандидаты в потенциальные высокотемпературные сверхпроводники.
Проведя первоначальный анализ для углеродных нанотрубок, исследователи получили значение температуры перехода Tc = 13,9 К, что хорошо согласовывалось с экспериментальными данными. Варьируя размер наноуглеродных структур за счет оптимизации длин и углов связей, они добились повышения значения Tc.
Но получить желаемые значения температуры перехода они смогли, лишь когда изменили локальную конфигурацию атомов. Расчет физиков показал, что температуру фазового перехода карбина можно поднять, если сформировать у него форму «корона» — кольца, где по четыре атома внизу и по два сверху.
«Сначала мы рассмотрели сверхпроводимость в одностенных углеродных нанотрубках, — рассказал Анатолий Зацепин. — 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».
Таким образом исследователи установили, что управлять температурой фазового перехода одномерных структур в сверхпроводящее состояние можно, изменяя их конфигурацию, то есть взаимное расположение атомов.
Описание достижения сверхпроводимости одномерного углерода ученые представили в 11-й главе монографии Emerging Carbyne: Truly One-Dimensional Form of Carbon.
Интерес ученых именно к одномерному углероду, как пояснил Зацепин, вызван его чрезвычайной механической прочностью, которая в несколько раз выше, чем у алмаза. Это делает его перспективным материалом для устройств наноэлектроники, фотоники, квантовой информатики, биомедицины. Например таких, как наномагниты для нанороботов или нанокарты памяти.
