Группа ученых из Америки и Японии смогла создать квантовый конденсат из противоположно заряженных частиц — электронов и дырок. Это позволит проверить теоретические предположения о природе квантовых конденсатов, а также добиться того, чтобы суперпроводники работали при комнатной температуре. Научная статья о работе опубликована в журнале Science.
Электроны, из которых состоит электрический ток, по мере движения по проводам сталкиваются с сопротивлением. Из-за этого они теряют часть своей энергии, которая высвобождается в виде тепла. Поэтому ноутбуки перегреваются, когда на них долго работают, а помещения, в которых находятся крупные серверы, должны быть оснащены эффективной системой охлаждения воздуха. Аналогично другие квантовые частицы сталкиваются с так называемой диссипацией энергии при движении в среде. Но бывают исключения. Например, при низких температурах частицы образуют пары — квантовые конденсаты. Благодаря этому материал приобретает свойства суперпроводника (как алюминий) или сверхтекучести (как жидкий гелий). Однако поддержание холодных температур довольно непрактично, поэтому ученые ищут способ создания суперпроводников при комнатных температурах.
Теперь исследователи описали создание квантового конденсата из противоположно заряженных электронов и дырок на основе графена. Ученые действовали согласно теории о том, что между двумя электронами существует сила притяжения, пусть и слабая, и они могут образовать куперовскую пару. Такие пары ведут себя как бозоны, а при низких температурах образуют единый материал. Однако, как известно, заставить электроны взаимодействовать трудно: одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга.
Вместо того чтобы пытаться заставить пару электронов реагировать друг с другом, ученые решили использовать противоположно заряженные частицы. Идея была реализована с помощью системы из графеновых слоев толщиной в атом. Когда слои графена находятся рядом друг с другом, содержащиеся в них дырки и электроны взаимодействуют друг с другом и образуют пару. Тем не менее и здесь есть тонкость. Если между дырками и электронами нет расстояния, они сливаются друг с другом и исчезают. По этой причине между слоями графена исследователи поместили такие же тонкие слои изолирующего материала — нитрида бора. Таким образом, между дырками одного слоя графена и электронами другого слоя образовалось расстояние. Чем больше было изолирующих слоев, тем слабее была связь между дырками и электронами, и наоборот.
Согласно одной из теорий, суперпроводники могут существовать при высоких температурах в том случае, если связи между частицами не слишком сильные и не слишком слабые. Ученые проводили эксперимент в жидком гелии, где температура составляла -270 °С, в присутствии сильного магнита в 10 Тл. Магнит нужен для того, чтобы привести содержащиеся в графене электроны в движение. Как отметили исследователи, при работе с другими материалами необходимости в магните может и не быть, и такую систему также может быть легче стабилизировать при комнатной температуре. Некоторыми полупроводниками можно управлять так, чтобы в них было большое количество электронов или дырок. Это зависит, в частности, от чистоты материала и дефектов в нем.
«С помощью нашей графеновой системы мы показали, что лежащий в ее основе принцип может быть осуществлен. Это больше не фантастика, это реальность. Теперь в каком-то смысле пришло время для соревнований в инженерной мысли», — прокомментировал Кори Дин из Колумбийского университета, один из авторов исследования.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Facebook и Twitter.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
