Экспериментально показано, что графен в своём естественном состоянии может быть сверхпроводником. Да, в прошлом году физикам уже удалось зафиксировать сверхпроводимость в этом материале. Но тогда графен был изменён — его допировали атомами кальция, сейчас же его не изменяли. Результат интересен прежде всего тем, что графен показал редкий, почти неуловимый, тип сверхпроводимости.
«Давно уже было постулировано, что при правильных условиях графен должен совершить переход в сверхпроводящее состояние, но добиться этого экспериментально не удавалось», — заметил один из исследователей, Джейсон Робинсон (Jason Robinson) из Кембриджского университета в Великобритании.
Но теперь научная группа, в которую входит Робинсон, подтвердила теоретические построения. Не обошлось без неожиданностей — оказалось, что графен — не просто сверхпроводник — он может обладать особым типом сверхпроводимости — p-волновым. Впрочем, необходимы дальнейшие исследования, чтобы подтвердить этот результат.
Работа по изучению сверхпроводимости в различных материалах нужна не только для подтверждения или изменения физических теорий. Человечество уже нашло применение сверхпроводимости. Так, эффект 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 мы сможем найти способ, чтобы достичь 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.
«Размещение графена на металле может кардинально изменить его свойства, так что формально он ведёт себя не так, как ожидают учёные, — поясняет один из участников проекта, Анджело ди Бернардо (Angelo di Bernardo). — Обнаруженное в таком случае — это, возможно, не внутренняя сверхпроводимость графена, а то, что сквозь него фиксируется в сверхпроводящей подложке».
Поэтому в ходе эксперимента в Кембридже сверхпроводимость графена изучалась на образце, в котором подложкой служил оксид празеодима-церия-меди (Praseodymium Cerium Copper Oxide, PCCO).
Может показаться, что это ничем не отличается от предыдущих экспериментов — ведь используется графен поверх другого материала, но разница велика и заключается в том, что сверхпроводимость PCCO хорошо изучена и понятна учёным, так что можно было ожидать, что сверхпроводимости PCCO и графена можно будет различить.
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.
Материалы исследования опубликованы в журнале Nature communications.
