Ученые из Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) совместно с коллегами из МГУ имени М.В. Ломоносова впервые установили температуру, при которой одностенные углеродные нанотрубки становятся сверхпроводниками, а также они нашли способ сделать эту температуру выше. Это открывает перспективы нового применения сверхпроводящих материалов. Работа опубликована в научном журнале Carbon.
Сверхпроводимость — основа высоких технологий. Материалы со способностью проводить электрический ток абсолютно без потерь благодаря полному отсутствию электрического сопротивления используются в циклотронах, поездах на магнитной подушке, линиях электропередач, сверхчувствительных магнитометрах (приборах для измерения магнитного поля Земли). Однако основная проблема сверхпроводимости состоит в том, что она проявляется в материалах при температуре, которая лишь немного выше абсолютного нуля (-273°C). Сверхпроводимость в условиях ближе к -200°C уже считается достижением. Рекорд поставил замороженный под колоссальным давлением сероводород, который становится сверхпроводником при -70°C.
«Сверхпроводимость при комнатной температуре — мечта человечества, — отмечает доктор Чи Хо Вонг, постдок Уральского федерального университета и соавтор работы. — Например, представьте, что ваш мобильный телефон больше не нужно дозаряжать, и ток сможет бежать без потерь почти вечно».
Способность углерода образовывать плоские листы графена толщиной в один атом (так выглядят отдельные «слои» графита) давно привлекает внимание ученых. Если представить, что такой однослойный лист скручен в трубочку, мы получим новую интересную структуру — одностенную углеродную нанотрубку (ОУНТ). Такие структуры очень прочны на разрыв, необычным образом преломляют свет и могут использоваться во множестве областей — от электроники до биомедицины. В стенки таких нанотрубок можно помещать различные атомы, которые будут изменять их свойства, — в том числе, проводимость. Она может зависеть от того, как ориентированы шестиугольники, которые составляют слой углерода, чем наполнена трубка, какие дополнительные атомы других элементов вставлены в ее структуру или присоединены снаружи.
Одностенные углеродные нанотрубки активно изучаются как перспективные сверхпроводники. Но они имеют диаметр всего 4 ангстрема (ангстрем — десятая доля нанометра), то есть, близки к одномерным материалам. В них при температурах вблизи абсолютного нуля образуются пары электронов, называемые куперовскими. Тонкие одномерные структуры препятствуют прохождению куперовских пар и сверхпроводимость не наблюдается.
«Нами была поставлена задача изменить одномерную структуру с целью повышения температуры сверхпроводящего перехода» — комментирует Анатолий Зацепин, руководитель научно-исследовательской лаборатории Физико-технологического института УрФУ. Оказалось, что если укладывать ОУНТ в стопки, то куперовские пары стабилизируются, и можно получить сверхпроводник». Однако сверхпроводимость даже у таких стопок возникает при достаточно низкой температуре — всего на 15 градусов выше абсолютного нуля.
Физики нашли решение этой проблемы. Они добавили внутрь одностенных углеродных нанотрубок «провод» из цепочки атомов углерода толщиной всего в один атом. Эта цепочка сама по себе не образовывает связей с атомами в составе трубки, но при этом трубка меняет геометрию, сжимаясь и изгибаясь.
Когда ученые УрФУ изменили форму внутренней углеродной цепочки с прямой на зигзагообразную, им удалось поднять температуру перехода в состояние сверхпроводимости на 45 градусов. Чтобы добиться наилучшего эффекта, углы этих зигзагов рассчитали математически, и эти предсказания оказались верными.
«Никто в мире не мог успешно рассчитать температуру сверхпроводимости одностенной углеродной нанотрубки с 2001 года, — поясняет доктор Чи Хо Вонг. — Но нам это удалось сделать в 2017 году. Мы вставили углеродную цепочку внутрь углеродной нанотрубки для того, чтобы понять, как это влияет на сверхпроводимость».
Данная работа выполнена в лаборатории «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники» УрФУ в сотрудничестве с учеными Физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.