Група фізиків з Інституту спектроскопії РАН і Московського інженерно-фізичного інституту сформулювала теорію надпровідності в графені.

Найбільш цікавою особливістю графена, двовимірної модифікації вуглецю, вважаються його електронні властивості. Низькоенергетичні динаміка електронів у ньому описується ефективним рівнянням, що має вигляд рівняння Дірака для частинок з нульовою масою, що рухаються зі швидкістю ~ 106 м / с. У хімічно чистому графені рівень Фермі (такий собі умовний рівень, відповідний енергії Фермі, нижче за яку при абсолютному нулі всі енергетичні стану системи електронів зайняті, а вище – вільні) лежить в діраковской точці дотику валентної зони і зони провідності. У разі допірованія це збіг порушується.

Зонна структура звичайного напівпровідника (ліворуч) і графена (ілюстрація Berkeley Lab).

Відомо, що надпровідність проявляється в результаті синхронізації електронів та їх об'єднання в куперовских пари. Основні положення класичної теорії надпровідності Бардіна – Купера – Шріффером (БКШ) ми згадували вчора. Коротко нагадаємо, що об'єднання носіїв у рамках теорії БКШ трактується як наслідок електрон-фононної взаємодії (фонон – це квазічастинка, квант коливального руху атомів кристала). При цьому константа електрон-фононної взаємодії (спарювання), що характеризує його «силу», стає важливим параметром, який визначає критичну температуру переходу в надпровідний стан.

БКШ, будучи ідеалізованою моделлю, не може адекватно описати властивості всіх традиційних надпровідників, допускаючи серйозні помилки, наприклад, при розрахунку параметрів дибориду магнію – незвичайного з'єднання, що має дуже високу температуру переходу. Проблема полягає в тому, що БКШ не поширюється на випадок сильного електрон-фононної взаємодії.

У своїх обчисленнях російські вчені використовували «покращений» варіант БКШ, запропонований радянським і російським фізиком Герасимом Еліашбергом. Теорія Еліашберга позбавлена ​​згаданого вище недоліку і дозволяє отримувати більш точні формули для розрахунку критичної температури.

Крім того, фізики вирішили рівняння Еліашберга відразу в двох випадках: для чистого і для допирований графена. Оскільки в чистому матеріалі рівень Фермі, як зазначено вище, лежить в діраковской точці, тут потрібно говорити про «багатозонне» спарюванні, в якому беруть участь частки з обох зон. «Допірованіе графена увазі набагато більш ефективне спаровування, в якому беруть участь частки, що належать тільки одній зоні, – говорить один з авторівроботи Юрій Лозовик. – У цьому випадку особливо цікава концентрація допірованія понад 1012 см-2. Що стосується критичної температури надпровідного переходу, то в допирований графені вона також вище ».

Як приклад можна навести результати розрахунку для хімічно допирований графена з високою концентрацією носіїв ~ 1,6 • 1014 см-2. Груба оцінка, яка не враховує ряд виявляються при настільки сильному допірованіі факторів, така: критична температура вуглецевого матеріалу повинна бути дорівнює 4,3 К.

За матеріалами: Фізичного інституту ім. П. М. Лебедєва РАН

Tweet

Заможні регіони: Для чого насправді Потрібні вибори?