Странная сверхпроводимость слоистого графена: физики в замешательстве?
Сверхпроводимость — одно из самых удивительных и многообещающих явлений в физике. Материалы, способные проводить электрический ток без малейшего сопротивления, открывают фантастические перспективы: от сверхбыстрых компьютеров до поездов на магнитной подушке, летящих со скоростью звука. Но есть одна проблема — «классические» сверхпроводники работают лишь при экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15 °C).
Поиски «высокотемпературных» сверхпроводников, способных функционировать при более приемлемых условиях (в идеале — при комнатной температуре), ведутся уже не одно десятилетие. И вот, кажется, забрезжил свет в конце тоннеля. Причем свет этот исходит… от углерода. Точнее, от графена — материала, представляющего собой одноатомный слой углерода, эдакую «пчелиную соту» в мире атомов.
Неожиданная встреча в лесу науки
История, о которой пойдет речь, напоминает детективный роман. Двое ученых, Кин Чун Фонг и Абхишек Банерджи, занимаясь, казалось бы, разными аспектами графена, за ужином обнаружили удивительное совпадение. Они оба, независимо друг от друга, пришли к схожей оценке одного параметра, характеризующего поведение электрического тока в этом удивительном материале. Речь шла о так называемой кинетической индуктивности — мере того, насколько «неохотно» ток реагирует на изменения.
Представьте себе, что вы идете по тропинке в густом лесу, погруженные в свои мысли. И вдруг, неожиданно для себя, натыкаетесь на другого путника. Примерно такое же чувство испытали Фонг и Банерджи, осознав, что они «бредут» по одному и тому же научному «лесу».
«Слоеный пирог» из графена и его тайны
Что же такого особенного в графене? Оказывается, если сложить вместе два или три листа графена, да еще и повернуть их друг относительно друга на определенный, «магический» угол, получается структура, способная проявлять сверхпроводимость. Причем при температурах, хоть и все еще очень низких, но уже значительно более высоких, чем у традиционных сверхпроводников.
Но почему так происходит? Это и предстояло выяснить. Фонг и Банерджи, объединив усилия с коллегами, провели два параллельных эксперимента. Одна группа исследовала «двухслойный» графен, другая — «трехслойный».
Задача была не из простых. Графеновые «хлопья», с которыми приходится иметь дело, микроскопически малы. Традиционные методы измерения, применяемые в физике сверхпроводимости, здесь не работали — сигналы получались слишком слабыми. Пришлось изобретать новую методику, основанную на воздействии на графен микроволн и тонком контроле параметров окружающей среды, прежде всего — температуры.
Электроны-танцоры и квантовая геометрия
Что же удалось выяснить? Вспомним, что сверхпроводимость возникает благодаря тому, что электроны, обычно «не любящие» друг друга, объединяются в пары. Эти пары, словно слаженная команда танцоров, движутся сквозь материал без сопротивления. Но как и почему образуются эти пары в графене, оставалось загадкой.
Группа, работавшая с двухслойным графеном, обнаружила нечто удивительное. Сверхпроводящий ток в нем оказался гораздо более «упрямым», чем предсказывали существующие теории. Он гораздо сильнее сопротивлялся любым попыткам его изменить.
Разгадка крылась в… квантовой геометрии! Да-да, не удивляйтесь. Оказывается, «форма» волновых функций электронов (а именно они описывают все свойства и поведение этих частиц) играет ключевую роль в этом экзотическом виде сверхпроводимости.
Трехслойный графен: намек на разгадку?
А что же трехслойный графен? Здесь исследователей ждал еще один сюрприз. Они обнаружили поразительное сходство между поведением своего образца и… совершенно другими сверхпроводниками! Теми самыми, которые работают при гораздо более высоких температурах.
Это открытие вселяет надежду. Возможно, эксперименты с графеном не только помогут понять природу его собственной сверхпроводимости, но и укажут путь к созданию материалов, способных проводить ток без сопротивления при комнатной температуре. Это стало бы настоящим технологическим прорывом, способным изменить наш мир.
Будущее уже здесь?
Исследования продолжаются. Ученые планируют провести аналогичные эксперименты с другими «двумерными» сверхпроводниками — материалами, имеющими толщину всего в несколько атомов. Их в последнее время обнаружено немало, и все они демонстрируют удивительные, а порой и совершенно необъяснимые свойства.
А тем временем, у одного из участников проекта, Мэри Крейдел, уже есть конкретное предложение по применению «слоеного» графена. Она работает над созданием детекторов частиц для космических аппаратов. Использование графеновых сверхпроводников позволило бы сделать эти детекторы намного меньше и легче, что критически важно для космических полетов.
Так что, возможно, будущее, где сверхпроводимость станет обыденностью, не так уж и далеко. И началось все с неожиданной встречи двух ученых за ужином и их любопытства к загадкам графена — этого удивительного материала, который продолжает поражать нас своими свойствами.