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.

Схематическое изображение устройства, сконструированного авторами. A. Hamo et al. / Nature, 2016

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, иавтор даже высказал предположение, что на основе этого механизма можно будет создать сверхпроводник, проявляющий свои свойства при комнатной температуре.

a. Иллюстрация принципа построения устройства для создания электронного притяжения: зеленым показана «основная» цепочка, фиолетовым – экситонные «поляризаторы». b. Кулоновские потенциалы электронов с обычном случае и в данном устройстве. c. Расположение энергетических барьеров в «основе» и «поляризаторе». A. Hamo et al. / Nature, 2016

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.

Схематическое расположение разных элементов устройства. A. Hamo et al. / Nature, 2016

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.

Автор: Екатерина Митрофанова