Из нанотрубок собрали строительный блок принципиально новых сверхпроводников

Международная группа физиков из Израиля, Германии, США и Дании впервые смогла «притянуть» электроны друг к другу, используя при этом явление кулоновского отталкивания. По мнению ученых, данный механизм, названный экситонным спариванием, может стать основой для искусственного конструирования новых материалов и устройств со свойствами сверхпроводников. Работа опубликована в журнале Nature.

Сверхпроводники — материалы с неотличимым от нуля сопротивлением — уже сейчас активно применяются в различных областях: от медицины до физики высоких энергий. Однако все открытые на данные момент вещества с такими свойствами «работают» при температурах намного ниже 0°С. Поэтому их использование связано с большими денежными затратами на охлаждение жидким азотом или даже гелием. Ключом к поиску «комнатно-температурных» сверхпроводников ученые считают изучение механизмов образования сверхпроводящего тока, а затем использование полученных знаний для конструирования нового материала с заданными свойствами.

На данный момент, общепринятым механизмом считается «куперовское спаривание» электронов, названное в честь одного из создателей Нобелевской теории сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). В упрощенном виде этот механизм можно представить следующим образом. Электроны, пролетая между положительно заряженными атомами, вызывают их притяжение к себе, как к области отрицательного заряда. Но атомы «неповоротливы», они гораздо тяжелее и движутся медленнее. В результате, после пролетающего электрона создается область положительного заряда. К ней притягивается другой электрон. И так, парами, они движутся по кристаллической решетке между атомами, не рассеивая энергию на столкновения, а, значит, сопротивление в таком материале отсутствует.

Спустя несколько лет после завершения теории БКШ американским теоретиком Уильямом Литтлом был предложен другой механизм сверхпроводимости — «экситонное спаривание», который до сих пор так и не удавалось реализовать на практике. Он основан не на взаимодействии с фононами — колебаниями атомов решетки — а на притяжении одной группы электронов («основной») за счет кулоновского отталкивания от другой группы («среды»).

Литтл предложил даже возможную структуру такого материала: он состоит из одномерной проводящей органической цепочки, от которой ответвляется множество боковых цепей, химический состав которых подобран таким образом, чтобы движение электронов в них было затруднено. Сверхпроводящий ток течет в «основной» цепи, в то время как «медленные» боковые электроны (по аналогии с тяжелыми атомами фононного механизма) являются «поляризаторами» — они выступают в качестве среды, которая обеспечивает притяжение между собой электронов первой группы. Теоретически, такое притяжение должно быть гораздо сильнее фононного, и автор даже высказал предположение, что на основе этого механизма можно будет создать сверхпроводник, проявляющий свои свойства при комнатной температуре.

В новой работе авторам впервые удалось реализовать экситонное спаривание на практике, но в несколько измененном по сравнению с предложенным У. Литтлом режиме. Ученые заменили органические цепочки двумя углеродными нанотрубками, одна из которых выступала в качестве «основы», а другая — «поляризатора». Для этого физики подавали на каждую нанотрубку напряжение определенным образом, создавая энергетические барьеры для движения электронов.

Например, в «поляризаторе» таких барьеров три — два достаточно высоких по краям и один небольшой между ними: электрон в такой структуре может перескакивать из одного положения в другое, оставляя за собой пустое место («дырку»). Такое связанное состояние электрон-дырка называется экситоном, которое и дает название механизму. В «основе» все наоборот — центральный потенциальный барьер высокий, а крайние — низкие. Это, наоборот, препятствует туннелированию электронов между состояниями по разную сторону барьера.

Притяжение между электронами «основы» возникает в тот момент, когда обе нанотрубки располагают достаточно близко друг от друга. Из-за отталкивания между электронами в разных нанотрубках, электрон в «поляризаторе» перескакивает через энергетический барьер, образуя экситон. За счет этого кулоновский потенциал электрона «основы» преобразуется, в нем возникает область расстояний, на которых действует сила притяжения взамен стандартного кулоновского отталкивания. В эту область притягивается другой электрон, образуя связанное состояние, наподобие куперовской пары в сверхпроводниках.

Такое устройство на основе двух нанотрубок представляет собой лишь единичный строительный блок для новых материалов. Хотя создать из них искусственный сверхпроводник авторам пока не удалось, в дополнительных материалах к статье приводятся возможные варианты дизайна такого «вещества», в котором электронное притяжение теоретически может возникать и при температурах гораздо выше комнатной.