Физики продемонстрировали "врождённую" сверхпроводимость графена

С того момента как в 2004 году физики Андрей Гейм и Константин Новоселов впервые получили графен, учёные нашли уникальному материалу множество применений (хотя пока и не слишком масштабных). Сегодня из графена создают самые тонкие лампы, гибкие дисплеи и покрытие против ржавчины, а трёхмерные структуры на его основе должны превзойти по прочности сталь. В будущем этот материал, представляющий собой одномерный слой из атомов углерода, может произвести настоящую революцию в медицине и электронике.

Но одна вещь давно не давала покоя учёным: теоретические расчёты допускали наличие у графена сверхпроводящих свойств, хотя на практике превратить его в сверхпроводник удавалось лишь с помощью примесей, или накладывая графеновую плёнку на другой сверхпроводящий материал. Но теперь физики из Великобритании, Израиля и Норвегии утверждают, что научились "пробуждать" сверхпроводящую природу графена без изменения его химического состава.

Сверхпроводником, напомним, называют материал, который при определённых условиях обладает нулевым электрическим сопротивлением, то есть проводит ток совершенно "без трения". Лучше всего этот эффект был продемонстрирован в ходе эксперимента, когда электрический ток на протяжении двух с половиной лет протекал в сверхпроводящем контуре без каких-либо потерь.

Команда под руководством Анджело ди Бернардо (Angelo Di Bernardo) и Джейсона Робинсона (Jason Robinson), оба из Кембриджского университета, связали графен с комплексным оксидом трёх металлов: празеодима, церия и меди. Такой оксид является сверхпроводником. Подобные объединения проводились и ранее, но каждый раз сверхпроводящие свойства оказывались "навязаны" графену, а не исходили из его природы.

"Разместив графен на металле, можно резко изменить его свойства, что с одной стороны покажется неожиданным, – говорит Ди Бернардо в пресс-релизе Кембриджа. – Но на самом деле это не собственная сверхпроводимость графена, а просто дальнейшее распространение свойств сверхпроводника".

Оксид празеодима-церия-меди (ПЦМО) относится к группе сверхпроводящих материалов – купратов, чьи характеристики уже хорошо изучены учёными. Кроме того, с помощью пары сканирующий плюс туннельный микроскоп исследователи могут точно отличить его сверхпроводимость от той, что возникла в других источниках.

Сверхпроводимость связана с особым взаимодействием электронов, которые внутри материала объединяются в пары и синхронизируют свой спин. При этом в разных материалах значение спина отличается, и в зависимости от этого наблюдается тот или иной тип сверхпроводимости. Так для ПЦМО характерно сверхпроводящее антипараллельное состояние d-типа.

Но в графене учёными была измерена сверхпроводимость совершенно другого типа, о чём они и сообщают в своей статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

Предположительно, это была самая таинственная её разновидность, так называемого р-типа, по поводу существования которой ведутся споры между физиками на протяжении последних 20 лет.

"Если сверхпроводимость р-типа действительно создаётся в графене, то он может быть использован в качестве основы для создания и разработки нового спектра сверхпроводящих устройств для фундаментальных и прикладных научных исследований", – добавляет Робинсон.

Сейчас главной задачей для физиков является подтверждение полученных результатов и догадок. Если они будут в состоянии вызывать сверхпроводящие свойства в графене с предсказуемым результатом, то можно будет подумать и о разработке устройств наподобие транзисторов для сверхпроводящих цепей, молекулярной электроники, а может быть, и новые типы компонентов для квантовых компьютеров.