Углерод сверхпроводящий

Углерод — это удивительный элемент. Один из самых распространенных на Земле.

ФОТО 1. Углерод в таблице Менделеева

Углерод — шестой по порядку элемент таблицы Менделеева, массой 12 a.е.м., в ядре которого содержится по 6 протонов и, как правило, 6 нейтронов.

Казалось бы, пока ничего особенного — атом как атом. Чудеса начинаются, когда атомы углерода начинают объединяться, выстраивая кристаллическую решетку. И в зависимости от строения этой решетки свойства получаемого вещества могут быть абсолютно разными.

Из школьной физики мы помним, что углерод может быть кристаллическим и аморфным. Кристаллический — это графит и алмаз, а аморфный — обычная сажа. Кроме того мы знаем, что углерод является основой всех известных на Земле видов топлива (кроме ядерного, но это ведь и не топливо по большому счету).

ФОТО 2. Химическая формула бутана

А еще мы знаем, что белковые молекулы — это длинные углеродные нити на которых причудливо, но удивительно упорядоченно расположены другие химические элементы.

ФОТО 3. Первичная структура молекулы белка

А как говаривал старина В.И. Ленин (Ульянов): «Жизнь — это способ существования белковых тел». Но речь сейчас не о сугубо материалистическом подходе к жизни классика Марксизма — Ленинизма, а об углероде.

Интерес к углероду в значительной мере активизировался после получения в начале 2000 гг. Андреем Геймом и Константином Новосёловым нового углеродного материала — графена. В 2010 году шведская академия наук присудила этим учёным Нобелевскую премию по физике за открытие двумерной формы углерода — графена и за сказочные перспективы этого открытия.

ФОТО 4. Структура графена

На основе графена уже делают сверхтонкие и гибкие дисплеи. На основе графена получен сверхпрочный, сверхлегкий и, как уверяют производители, сверхтеплый в холод и охлаждающий в жару материал для верхней одежды.

Однако, по-видимому, удивительные свойства графена еще только открываются.

Учёными Кембриджского университета (Великобритания) было экспериментально показано, что графен в своём естественном состоянии может быть сверхпроводником. Результат интересен еще и тем, что графен показал редкий, почти неуловимый, тип сверхпроводимости — p-волновой.

«Давно уже было доказано, что при определенных условиях графен переходит в сверхпроводящее состояние, но добиться этого экспериментально не удавалось», — заметил один из исследователей, Джейсон Робинсон (Jason Robinson).

Сверхпроводимость применяется в настоящее время достаточно широко. Этот эффект, например, используется для создания сильных магнитных полей в аппаратах МРТ. Но применяемые материалы становятся сверхпроводниками при температуре около −269 °C, что сильно усложняет технологию и делает её довольно дорогой.

Если будет найден способ достижения устойчивой сверхпроводимости при сравнительно высоких температурах, это откроет возможность создания суперкомпьютеров и более эффективных медицинских технологий. Графен может быть одним из кандидатов для достижения этой цели, учитывая все его прочие странные и удивительные свойства.

Исследователям впервые удалось сделать графен сверхпроводником в прошлом году, путём включения атомов кальция в его решётку. Результат был повторён в нескольких лабораториях. Также было показано, что сверхпроводником становится «бутерброд» из графена на металлической подложке. Однако в последнем случае было не до конца ясно, наблюдается ли эффект сверхпроводимости непосредственно в графене.

Поэтому в ходе эксперимента в Кембридже сверхпроводимость графена изучалась на образце, в котором подложкой служил оксид празеодима-церия-меди (Praseodymium Cerium Copper Oxide, PCCO).

Сверхпроводимость возникает, когда куперовская пара электронов образует волну, которая движется в материале без сопротивления. Форма такой волны может быть разной, известно, что PCCO обладает d-волновой сверхпроводимостью.

Но наблюдение показало, что сверхпроводимость графена совсем другая — обнаружены следы редкого и до сих пор неподтверждённого типа сверхпроводимости — p-волнового.

Предположение о существовании p-волновой сверхпроводимости впервые было высказано в 1994 году, тогда японские исследователи нашли свидетельства её наличия в кристаллическом материале — рутенате стронция. Но сверхпроводимость в кристалле не очень удобно изучать и, если подобное происходит и в графене, будет намного проще разобраться в механизме данного явления.

«Если р-волновая сверхпроводимость действительно создаётся в графене, графен может быть использован в качестве основы для создания и изучения целого спектра новых сверхпроводниковых устройств в фундаментальных и прикладных направлениях исследований», — заключил Робинсон.

Возможно, физики найдут способ превратить этот чудо-материал в сверхпроводник. А если повезет, то и в сверхпроводник, работающий при комнатной температуре.