Трехслойный графен приближает получение сверхпроводимости при комнатной температуре

Как известно из школьного курса физики, любой проводник не является идеальным: он оказывает сопротивление протекающему через него току. Иными словами, часть энергии неизбежно тратится на нагрев проводника.

Эти небольшие на первый взгляд затраты оборачиваются огромными потерями при передаче большого количества энергии на большие расстояния. И речь идет о действительно больших потерях – о десятках миллиардов долларов, потраченных на обогрев проводов и уличного воздуха.

Но с 1911 года известен эффект сверхпроводимости: состояние проводника, когда он вообще не имеет электрического сопротивления. Проблема только в том, что эффект проявляется только при очень низких температурах, вблизи т.н. «абсолютного нуля» или «нуля по Кельвину» (0 К) что равно – 273^oC, самой низкой из теоретически возможных температур.

Высокотемпературная сверхпроводимость: почему она важна

Есть и т.н. «высокотемпературные полупроводники», обнаруживающие эффект сверхпроводимости не при -272^оС, а на 70^о выше. Это принципиально важно, поскольку их можно охлаждать дешевым жидким азотом, а не супердорогим и очень капризным в работе жидким гелием. Но сами такие материалы дороги и неудобны в обработке. Кроме того, постоянное охлаждение даже до температуры жидкого азота технически крайне сложно. В результате, за 40 лет с момента открытия высокотемпературных полупроводников они так и не вышли из стадии лабораторных испытаний. Нужен дешевый и простой в обращении материал, способный проявлять свойство сверхпроводимости при комнатной температуре.

Что такое графен

В последнее время в центре внимания исследователей оказался графен — двумерная кристаллическая модификация углерода. Графен представляет собой слой углерода толщиной в один атом, который в 200 раз прочнее стали, но при этом чрезвычайно гибок и легче бумаги. Он хорошо проводит тепло и электрический ток, но из-за его чрезвычайной тонкости с ним трудно обращаться, ориентируя слои точно друг относительно друга.

Несмотря на посредственные, на первый взгляд, температурные характеристики сверхпроводимости, которая в одинарном слое графена наступает при -272^оС или 1К, он кажется перспективным по причине уникальных эффектов, наблюдаемых в его кристаллической решетке. В 2018 году было установлено, что два слоя графена, сложенные под углом друг к другу в 1,05^о — 1,1^о, поднимают тепловой порог сверхпроводящего эффекта до 1,7К (-271,45^оС).  Это не выходило за пределы гелиевого диапазона температур, но сам факт был интересен и заслуживал внимательного изучения.

Графен в несколько слоев: сверхпроводящая система

Очередная работа гарвардских ученых, опубликованная в Science, сообщает о дальнейшем расширении возможностей сверхпроводящих систем на основе графена. Добавление третьего слоя открыло новые возможности для развития технологий сверхпроводимости при более высоких температурах, в перспективе близких к комнатной. Это, в свою очередь, позволит совершить технологические революции во многих областях, включая передачу электроэнергии, транспорт и квантовые ЭВМ.

Ученые из Гарварда сообщают об успешной укладке трех листов графена и последующем повороте каждого из них на требуемый угол. Такая улучшенная система позволяет получить еще более высокотемпературный  эффект сверхпроводимости по сравнению с двумя слоями, уже при 3К (-270^оС) . Она также более чувствительна к приложенному извне электрическому полю, что позволяет настраивать уровень проводимости.

Но самым важным результатом, позволившим говорить о перспективах получения сверхпроводимости при комнатных температурах, стало получение под действием внешнего поля более  устойчивого сильного взаимодействия электронов в графене.

В большинстве обычных проводников электроны движутся с высокой скоростью, иногда сталкиваются, и так влияют друг на друга. При наступлении сверхпроводимости они образуют т.н. куперовские пары, что позволяет им избегать потерь энергии при проходе через кристаллическую решетку.  В этом случае говорят, что их эффекты взаимодействия слабые.

При сильном взаимодействии электроны во всем проводнике под воздействием внешнего поля образуют коллективные квазичастицы. Ближайшая аналогия: комната, полная людей; один человек начинает двигаться, и все устремляются за ним.

Воздействуя на такие коррелированные состояния внешним полем систему можно «переключать» из режима изоляции в режим сверхпроводимости.  А обеспечение устойчивости таких квазичастиц под действием внешнего поля как раз и открывает возможность для создания квантовых процессоров, а также получения сверхпроводимости при уже действительно комнатных температурах.

Ранее физикам удалось доказать существование сверхтекучего твердого тела.

По материалам Phys.org и Nature

Читайте также:

Корейское «искусственное солнце» разогрели до 100 млн. градусов

Физики впервые рассчитали максимальную скорость звука