Исследователям недавно удалось впервые синтезировать экзотический одномерный газ путем размещения атомов криптона внутри углеродных нанотрубок. Данная технология позволила обеспечить условия для детального анализа поведения указанных атомов в созданной среде. Подобный подход обладает потенциалом стать основой для открытия новых фаз материи и углубления понимания механизмов сверхтекучести или сверхпроводимости в нанометровом масштабе. Изучение физики атомов как фундаментальных структурных единиц материи является одной из приоритетных задач современной науки. Одной из ключевых проблем, с которыми сталкиваются ученые при визуализации атомных структур, обусловлен их крайне малый размер (от 0,1 до 0,4 нанометра). Это существенно затрудняет прямую регистрацию динамики атомов, в связи с чем создание непрерывных визуальных репрезентаций атомарных процессов в режиме реального времени остается одной из важнейших задач современной исследовательской деятельности.
Недавно группа исследователей из Ноттингемского университета (Англия) в сотрудничестве с Ульмским университетом (Германия) сделала значительный шаг вперед в этой области. В их новом исследовании, опубликованном в журнале American Chemical Society, подробно описывается инновационный процесс захвата атомов криптона внутри углеродных нанотрубок, в результате чего образуется одномерный газ.
Захват атомов криптона для детального наблюдения
Для достижения поставленной цели ученые использовали передовую технику микроскопии — просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ). Эти трубки, которые в 100 000 раз тоньше человеческого волоса, представляют собой замкнутую среду, в которой атомы можно отслеживать по отдельности.
Такое наблюдение в реальном времени является прорывом, поскольку позволяет визуализировать поведение атомов криптона в ограниченном пространстве, что ранее было недостижимо при использовании обычных методов микроскопии. Исследователи использовали бакминстерфуллерены — молекулы в форме футбольного мяча, состоящие из 60 атомов углерода, — для транспортировки отдельных атомов Kr в тестовых нанотрубках.
Атомы криптона, захваченные в фуллереновые ловушки (слева), а также диполи криптона (справа сверху), формируемые при облучении нанотрубок электронами, и одномерный газ (справа снизу), формирующийся при разрушении фуллерена под нагревом. Изображение: Ian Cardillo-Zallo et al., ACS Nano
Профессор Андрей Хлобыстов из Ноттингемского университета пояснил в пресс-релизе: “Поскольку Kr имеет высокий атомный номер, его легче наблюдать в ПЭМ, чем более легкие элементы. Это позволило нам отслеживать положение атомов Kr в виде движущихся точек”. В частности, профессор Уте Кайзер из Ульмского университета использовал TEM SALVE, усовершенствованный электронный микроскоп, способный корректировать хроматические и сферические аберрации. Эта технология сыграла ключевую роль в наблюдении пар атомов Kr.
Эти пары образуются, когда два атома криптона связаны между собой взаимодействием Ван-дер-Ваальса — тонкой, но фундаментальной силой в химии. Благодаря TEM SALVE исследователи смогли не только наблюдать эти пары атомов, но и измерить точное расстояние между ними в реальном пространстве.
Новый взгляд на атомы
Когда атомы криптона заключены в одномерное пространство, они демонстрируют уникальное поведение, предлагая ученым ценные сведения об атомных взаимодействиях в экстремальных условиях. Атомы Kr, выходящие из фуллереновых каркасов, образуют своеобразный одномерный газ.
После освобождения от своих молекул-носителей атомы Kr могут двигаться только в одном измерении вдоль канала нанотрубки из-за чрезвычайно узкого пространства. Более того, атомы криптона, собранные в одномерный газ, представляют собой высококоррелированные атомные системы. Эти системы могут выявить ранее неизвестные или плохо изученные свойства теплопроводности и диффузии.
В нанотехнологиях такое понимание может привести к разработке новых материалов с улучшенной теплопроводностью, что откроет путь к прогрессу в производстве полупроводников или охлаждающих устройств.
На пути к новым исследовательским рубежам
Одна из следующих задач исследовательской группы — использовать электронную микроскопию для изучения контролируемых температурой фазовых переходов и химических реакций в одномерных системах. Наблюдая за тем, как атомы криптона ведут себя при различных температурах в замкнутом пространстве, ученые смогут открыть новые фазы материи или лучше понять такие явления, как сверхтекучесть или сверхпроводимость в нанометрических масштабах.
Более того, этот прорыв может оказать значительное влияние на развитие квантовых вычислений. Попав в ловушку, атомы криптона могут быть использованы в качестве кубитов — основных единиц информации в квантовых компьютерах. Кроме того, эта технология может привести к созданию сверхчувствительных датчиков для обнаружения физических или химических явлений в нанометрическом масштабе.
Для любознательных
Сверхпроводимость — одно из самых завораживающих явлений физики конденсированного состояния. Традиционно мы связываем его с металлами, интерметаллидами, а в последние десятилетия — с купратами, пниктидами и гидридами под высоким давлением. Однако развитие нанотехнологий открыло новое измерение в этой области: изучение квантовых эффектов в экстремально ограниченных геометриях. Одним из наиболее интригующих направлений на стыке физики низких температур и наноструктур стало исследование поведения благородных газов, в частности криптона, внедренного внутрь углеродных или иных нанотрубок.
В этой статье мы рассмотрим базовые условия возникновения сверхпроводимости и то, как квазиодномерные нанотрубки из атомов криптона могут изменить наше понимание квантовых фазовых переходов.
Классические и современные условия возникновения сверхпроводимости
Чтобы материал перешел в сверхпроводящее состояние, в нем должен сформироваться так называемый конденсат Бозе — Эйнштейна из носителей заряда. В классической теории Бардина — Купера — Шриффера (БКШ) это происходит за счет электрон-фононного взаимодействия:
- Низкие температуры: Тепловые колебания решетки должны быть достаточно малы, чтобы не разрушать слабые связи между электронами.
- Образование куперовских пар: Электроны, преодолевая кулоновское отталкивание, притягиваются друг к другу через виртуальный обмен фононами (квантами колебаний кристаллической решетки).
- Критическое магнитное поле и критический ток: Внешнее воздействие не должно превышать пороговых значений, иначе спаривание разрушается.
В нетрадиционных сверхпроводниках механизмы могут быть иными (например, спиновые флуктуации), но фундаментальное условие остается неизменным — необходимо эффективное притяжение между фермионами и формирование макроскопической квантовой когерентности.
Нанотрубки атомов криптона: что это такое?
Криптон — это благородный газ, который в обычных условиях химически инертен, а при сильном охлаждении (ниже -157,4 °C) кристаллизуется в гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку. Сам по себе твердый криптон является диэлектриком с широкой запрещенной зоной и не проводит ток.
Однако ситуация кардинально меняется, когда атомы криптона заставляют конденсироваться внутри сверхузких каналов — например, внутри одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ). В таких условиях геометрия матрицы навязывает атомам газа строгую одномерную или квазиодномерную структуру. Вместо трехмерного кристалла образуется «линейная цепочка» или полая нанотрубка из атомов криптона (так называемый криптоновый кристалл в канале).
Почему наноструктурированный криптон интересен для физики сверхпроводимости?
Казалось бы, как инертный газ-диэлектрик может иметь отношение к сверхпроводимости? Ответ кроется в экстремальном изменении электронных и фононных свойств вещества при переходе в наноразмерное состояние.
- Модификация фононного спектра (эффект размерного квантования)
В квазиодномерных структурах (нанотрубках) фононные моды сильно ограничены геометрией. Атомы криптона, зажатые в углеродной матрице, начинают колебаться иначе, чем в объемом кристалле. Возникают мягкие фононные моды (низкочастотные колебания). Согласно формуле Макмиллана (развитие теории БКШ), смягчение фононных мод может резко увеличить константу электрон-фононного взаимодействия.
- Индуцированная металлизация и перенос заряда
В свободном состоянии у криптона заполнена электронная оболочка. Но при сильном сжатии или внутри углеродной нанотрубки за счет Ван-дер-Ваальсова взаимодействия и гибридизации орбиталей может происходить частичный перенос заряда между стенками матрицы и атомами криптона.
Под воздействием сильного потенциала стенок нанотрубки уровни энергии криптона смещаются. При определенных условиях (например, под дополнительным внешним давлением) может произойти «металлизация» криптона — перекрытие электронных зон, превращающее диэлектрик в проводник.
- Переход Латтинжера вместо Ферми-жидкости
В одномерных (1D) системах классическая теория металлов (Ферми-жидкость Ландау) перестает работать. Вместо нее электроны описываются жидкостью Латтинжера, где любые возбуждения носят коллективный характер. В таких системах флуктуации очень сильны и обычно подавляют дальний порядок (теорема Мермина — Вагнера).
Однако, если атомы криптона формируют не строго одномерную цепочку, а трубчатую структуру (квази-1D), то в ней возможно сосуществование и взаимное усиление различных типов квантового порядка, включая сверхпроводящий. Углеродная нанотрубка в данном случае играет роль стабилизатора, который подавляет разрушительные тепловые и квантовые флуктуации.
Экспериментальные вызовы и моделирование
На сегодняшний день изучение сверхпроводимости в нанотрубках криптона находится преимущественно в области теоретического моделирования (ab initio расчеты) и передовых экспериментов на стыке физики высоких давлений.
Чтобы зафиксировать подобные состояния, ученые используют:
- Алмазные наковальни: Для создания экстремального давления, которое «впрессовывает» криптон в каналы нанотрубок и заставляет электронные оболочки перекрываться.
- Просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения (HRTEM): Для визуализации того, как атомы криптона выстраиваются в аккуратные цепочки и слои внутри ОУНТ.
- Спектроскопию комбинационного рассеяния (Раман): Для отслеживания изменений в фононных частотах системы.
Заключение
Нанотрубки из атомов криптона представляют собой уникальную «лабораторию» для изучения фундаментальной физики. Условия возникновения сверхпроводимости в таких системах коренным образом отличаются от классических: здесь на первый план выходят геометрическое ограничение, кардинальная перестройка фононного спектра и индуцированная металлизация инертного газа.
Если ученым удастся стабильно воспроизводить и контролировать электронные свойства таких квазиодномерных систем, это не только расширит наше понимание квантовой механики, но и откроет путь к созданию принципиально новых наноэлектронных устройств, где сверхпроводящие кабели будут иметь диаметр всего в несколько атомов.
Источник: https://new-science.ru/, https://hightech.fm/
