Изучая проводящие свойства углеродных пленок, полученных распылением графита в электрической дуге, мы обнаружили скачок сопротивления почти в 10 тысяч раз при некотором критическом токе, причем время переключения — 100 микросекунд. Это определило практическое применение эффекта — в качестве бесконтактного ограничителя тока и привело нас в ряды резидентов Сколково. Но вопрос — в чем суть нового явления обнаруженного в тонких углеродных пленках, пока до конца не выяснен. Видимо электроны скачкообразно обретают массу…
На самом деле тут можно провести такую связку с современными теориями элементарных частиц. На коллайдере, в CERNе ищут так называемый бозон Хиггса, или божественную частицу. Вот этот бозон Хиггса: его роль состоит в том, что он даёт массы всем наблюдаемым частицам, из которых состоит весь мир и мы с Вами в том числе. Вот без него – без этого поля Хиггса – ни одна частица не имела бы массы. Но, на самом деле, найдут его или нет – это ещё вопрос но, по крайней мере, все очень верят в это. Аналогия примерно такая — поле бозона Хиггса (просто бозон – он переносчик этого поля) дает массу элементарным частицам нашего 3-х мерного мира, а в 2-х мерии углеродной проводящей пленки магнитное поле даёт массу носителю.
Сергей Григорьевич Лебедев, к.ф.-м.н., с.н.с. Института ядерных исследований РАН При протекании тока по проводнику практически вся энергия сосредоточена в собственном магнитном поле этого тока. И вот, когда ток достигает критической величины, происходит нарушение симметрии. Такие безмассовые электроны похожие на фотоны света – тем что у них нет собственной массы, обнаружены «русскими»Нобелевскими лауреатами А. Геймом и К. Новоселовым в графене , представляющем собой лист- атомную плоскость графита. В отличие от графена иследуемые пленки представляют собой конгломерат из графитовых кластеров, состоящих из нескольких слоев графена, внедренных в матрицу из аморфного углерода. И вдруг при вполне определенной величине электрического поля, которое линейно связано с магнитным полем тока эти электроны-носители приобретают массу. Это происходит внезапно - они сразу становятся тяжелыми и как бы падают на дно зоны проводимости. И всё: проводимости нет. Вот такое объяснение. Но смысл такой, на энергетическом уровне: вся энергия сосредоточена в магнитном поле (а мы знаем, что всякая энергия эквивалентна массе по формуле Е=mc2 и энергия этого магнитного поля – превращается в массу вот этих носителей.
Журнал Природа (No.8, 2007 г. ) «По следам углеродной сверхпроводимости»:
Открытие сверхпроводимости (СП) вызвало всплеск надежд на то, что подобные состояния достижимы не только при охлаждении до температур жидкого азота, но также при комнатных и даже более высоких температурах («горячая» СП, ВТСП). Нет нужды много говорить о преимуществах «горячей» СП — в идеале рассеивание электроэнергии может составить лишь несколько процентов от нынешнего уровня. Вот почему эксперименты в области сверхпроводимости по эмоциональному накалу можно сравнить с поисками Святого Грааля или философского камня. Состояние «горячей» СП, по-видимому, реализуется в атомных ядрах и в таких экзотических объектах, как нейтронные звезды. Однако есть основания полагать, что некоторые углеродные конденсаты также могут обладать сверхпроводящим свойством.
Предпосылки углеродной сверхпроводимости
Возможность существования сверхпроводимости с температурой выше комнатной обосновали лауреат Нобелевской премии В.Л.Гинзбург [1] и В.Литтл [2]. После этого исследователи с энтузиазмом принялись за поиски ВТСП-материалов.
По современным представлениям, сверхпроводимость обусловлена «связыванием» отдельных электронов в куперовские (по имени первооткрывателя Л.Купера) пары через цепочку атомов кристаллической решетки. Электроны как бы постоянно дергают за цепочку, согласуя свое движение с напарником. При этом пара электронов движется в кристаллической решетке как единое целое и не рассеивает своей энергии. Чем выше частота обменов «рывками», тем сильнее электроны связаны в пары и тем выше температура разрушения сверхпроводящего состояния. Замечено, что «частота рывков» выше в материалах с высокой температурой плавления, таких как углерод с его большим разнообразием химических и структурных модификаций. Поэтому углерод и его соединения одними из первых «попали под подозрение». Известный польский ученый К.Антонович (1914-2002) более 30 лет назад исследовал проводящие свойства стеклоуглерода [3] и его напыленных осадков [4] и обнаружил эффект скачка проводимости до трех порядков величины. Изменение проводимости было обратимым, а время релаксации составляло несколько дней. В дальнейшем Антонович выявил увеличение тока при микроволновом облучении Al-C-Al-сэндвича [5]. Правда, изменение тока происходило с задержкой после облучения СВЧ в течение 100 мин. На первый взгляд такие «времена задержки» представляются весьма странными с точки зрения электронных механизмов. Тем не менее Антонович объяснил наблюдаемые эффекты сверхпроводимостью при комнатной температуре [6].
Автор данной статьи долгое время изучал применение тонких углеродных пленок в качестве перезарядных мишеней для ускорителей ионов. Была разработана физическая модель разрушения углеродных мишеней в пучках ионов. В соответствии с ней в основе механизма лежит накопление и отжиг подвижных точечных радиационных дефектов — междоузлий и вакансий. Междоузлия более подвижны, вакансии при низких температурах можно считать неподвижными. Накопление неподвижных вакансий создает механические создает механические напряжения в тонкой углеродной пленке, которая разрушается, когда напряжения превысят предел прочности материала на разрыв [7]. В дальнейшем с помощью разработанной модели исследовалось влияние микроструктуры пленки и различий в условиях ее осаждения на сроки службы под облучением ионами [8-10]. Результаты были проверены экспериментально на ускорителях в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований (Дубна), Института теоретической и экспериментальной физики (Москва), Института физики высоких энергий (Протвино). В настоящее время данная модель является общепринятой. В ходе этих работ возник интерес к электромагнитным свойствам пленок.
Известный польский ученый К.Антонович (1914-2002) более 30 лет назад исследовал проводящие свойства стеклоуглерода [3] и его напыленных осадков [4] и обнаружил эффект скачка проводимости до трех порядков величины. Изменение проводимости было обратимым, а время релаксации составляло несколько дней. Антонович объяснил наблюдаемые эффекты сверхпроводимостью при комнатной температуре. По современным представлениям, сверхпроводимость обусловлена «связыванием» отдельных электронов в куперовские (по имени первооткрывателя Л.Купера) пары через цепочку атомов кристаллической решетки. Электроны как бы постоянно дергают за цепочку, согласуя свое движение с напарником. При этом пара электронов движется в кристаллической решетке как единое целое и не рассеивает своей энергии. Чем выше частота обменов «рывками», тем сильнее электроны связаны в пары и тем выше температура разрушения сверхпроводящего состояния. Замечено, что «частота рывков» выше в материалах с высокой температурой плавления, таких как углерод с его большим разнообразием химических и структурных модификаций. Именно поэтому углерод и его соединения одними из первых «попали под подозрение» и Антонович начал свои эксперименты.
К сожалению результаты этих исследований стали известны нам лишь много лет спустя, после того как мы самостоятельно обнаружили эффект скачка сопротивления».
Рис. 1. Вольт-амперные характеристики электронного бесконтактного выключателя при двух вариантах переключения — ручной (квадратики) и программной (кружки) регулировке подачи тока на образец. Время выключения составляет 100 мксек. Видно, что электросопротивление образца в процессе переключения увеличивается на четыре-пять порядков.
Презентация С.Г.Лебедева на круглом столе в Бизнес-школе Сколково «Инновации в электроэнергетике» февраль 2012:
Литература
1. Гинзбург В.Л. // ЖЭТФ. 1964. Т.47. С.2318-2327.
2. Little W.A. // Phys. Rev. 1964. V.134. P.A1416-A1424.
3. Antonowicz K. et al. // Carbon. 1973. V.11. P.1-5.
4. Antonowicz K. et al. // Carbon. 1972. V.10. P.81-86.
5. Antonowicz K. // Phys. Status. Solidi (a). 1975. V.28. №2. P.497-502.
6. Antonowicz K. // Nature. 1974. V.247. P.358-360.
7. Koptelov E.A., Lebedev S.G., Panchenko V.N. // Nucl. Instr. Meth. 1987. V.A256. P.247-250.
8. Koptelov E.A., Lebedev S.G., Panchenko V.N. // Nucl. Instr. Meth. 1989. V.B42. P.239-244.
9. Lebedev S.G. // Nucl. Instr. Meth. 1994. V.B85. P.276-280.
10. Lebedev S.G. // Nucl. Instr. Meth. 1995. V.A362. P.160-162.
11. Лебедев С.Г., Топалов С.В. // Краткие сообщения по физике ФИАН. 1994. №11-12. С.57-64.
12. Lopinski G.P. et al. // Phys. Rev. Lett. 1998. V.80. P.4241-4250.
13. Chen J.T. et al. // Phys. Rev. Lett. 1987. V.58. P.1972-1975.
14. Гинзбург В.Л. // УФН. 1968. Т.95. С.91-99.
15. Гинзбург В.Л. // УФН. 1991. Т.169. С.25-34.
16. Lebedev S.G. // ArXiv:cond-mat/0510304
17. Lebedev S.G. // Nucl. Instr. Meth. 2004. V.A521. P.22-29.
18. Лебедев С.Г. Патент РФ №2212735, 2003.
19. Schцn J.H., Kloc Ch., Haddon R.C., Batlogg B. // Science. 2000. V.288. P.656-659.
20. Da Silva A. et al. // Proc. Of Workshop on Low Temperature Detectors for Neutrinos and Dark Matter II. France, 1988. P.417-432.
21. Beck C., Mackey M.C. // ArXiv:astro-ph/0406504.
