Ученые Константин Новоселов и Андрей Гейм совершили впечатляющее открытие, связанное с исследованием графита. Им удалось продемонстрировать, что тщательно очищенные образцы этого вещества проявляют квантовые свойства, удивительно схожие с теми, что наблюдаются в знаменитом графене. Это достижение открывает перспективы для создания сверхпроводников, способных работать при комнатных температурах, и вселяет оптимизм по поводу будущего квантовой физики и материаловедения.
От графена к графиту: революция в понимании углеродных материалов
Графен — это одноатомный углеродный слой, известный своей уникальной структурой, напоминающей пчелиные соты. Открытие его необычайных физических свойств стало отправной точкой для грандиозных достижений в науке о материалах. Именно благодаря исследованиям графена Константин Новоселов и Андрей Гейм были удостоены престижной Нобелевской премии в 2010 году. Однако теперь стало ясно, что графен — это только начало захватывающего пути, а потенциальные возможности кроются и в связанном с ним графите.
До нынешнего времени физики были убеждены, что квантовый эффект Холла, столь характерный для графена, невозможен для такого вполне "обычного" материала, как графит. Однако серия экспериментов с "бутербродами", где между слоями графита размещались плёнки нитрида бора, доказала обратное: сверхчистый графит способен проявлять свойства, присущие двумерным системам.
Квантовый эффект Холла: мост между измерениями
Ярким проявлением уникальности графена стал так называемый квантовый эффект Холла — особое квантовое поведение электронов в материалах с двумерной структурой. Этот эффект выражается в том, что электронное движение приобретает строгий порядок, а проводимость меняется скачкообразно на определённые квантовые величины при воздействии магнитного поля. Долгие годы считалось, что такое явление можно наблюдать только при охлаждении до экстремально низких температур. Но опыты с графеном перевернули это представление, позволив обнаружить квантовый эффект Холла даже при комнатной температуре.
Сегодня новыми экспериментами с графитом установлено: если созданы условия высокой чистоты материала и особого строения слоёв, квантовый эффект Холла появляется и в этом "дедушке" современных двумерных материалов. Это настоящая революция, поражающая воображение — трёхмерный на первый взгляд графит начинает вести себя как 2,5-мерное образование, буквально "схлопываясь" в двумерную структуру под воздействием сильного магнитного поля (около семи тесла).
Секреты внутреннего устройства: стоячие волны и роль чётных слоёв
Не менее интригующим оказалось объяснение появления квантовых эффектов в многослойном графите. Как выяснили Новоселов, Гейм и их коллеги, внутри тщательно очищенных брусков графита образуются уникальные стоячие волны электронов. Эти волны пронизывают слои, соединяя их особым образом, и позволяют электронам взаимодействовать необычайно тесно. При этом проявление квантового эффекта зависит от чётности числа слоёв: если оно нечётное, эффект ослабевает или исчезает вовсе, поскольку структуре мешают формироваться устойчивые электронные состояния. Даже при сто и более слоях графит сохранял уникальные свойства, если выполнялось требование чётного количества слоёв — это производит огромное впечатление на научное сообщество.
Замечено и ещё одно удивительное обстоятельство: при охлаждении до почти абсолютного нуля квантовые эффекты ещё более усиливались. Внутри материала начинали возникать так называемые квазичастицы — виртуальные носители тока с зарядом, меньшим, чем у электрона. Их присутствие не только подтверждает открытие новых физических феноменов, но и пробуждает надежду на появление принципиально новых сверхпроводников.
Перспективы: от науки к новым технологиям
Открытие Новоселова и Гейма наполнено оптимизмом не только для теоретиков, но и для инженеров. Применение графита и подобных ему материалов может радикальным образом преобразить электронику и квантовые вычисления. Возможность проявления сверхпроводимости при умеренных температурах сулит появление эффективных и экономичных устройств по передаче энергии, созданию мощных магнитов, используемых в медицине и науке, а также новых элементов для квантовых компьютеров следующего поколения.
Сейчас команда исследователей из разных стран планирует расширить эксперименты. На очереди — изучение различных упаковок слоёв графена и графита, ведь даже малейшие изменения в структуре способны привести к появлению еще невиданных эффектов. Каждый новый шаг открывает перспективы для формирования совершенно новых технологических направлений.
Оптимизм будущего и научный энтузиазм
Работы команды под руководством Константина Новоселова и Андрея Гейма уже вдохновили целое поколение молодых учёных на поиск новых уникальных материалов и исследование тончайших свойств вещества. Их открытия — это не только точки роста для мировой науки, но и основа для создания практических технологий завтрашнего дня.
Теперь, когда необычные свойства графита становятся всё более очевидными, границы между двумерными и трёхмерными материалами стираются, а возможности применения квантовых эффектов в обычных условиях расширяются. Удастся ли сделать из графита или его производных надёжный сверхпроводник для современных нужд — покажет время. Но уже сейчас ясно: нас ждёт череда новых открытий, которые смогут изменить наш мир к лучшему.
Графен и графит: синергия уникальных свойств
Графен и графит, казалось бы такие знакомые материалы, продолжают удивлять, открывая перед наукой двери в совершенно новые области. Благодаря настойчивости и креативности российских и британских ученых, скрытые богатства простого углерода становятся реальностью. Позитивный подход к изучению квантовых явлений ведет к прогрессу, а открытия Новоселова и Гейма служат основой не только для новых научных теорий, но и для рождения передовых технологий.
Благодаря этому в ближайшем будущем возможны инновационные прорывы в области энергетики, квантовых вычислений и медицинского оборудования, делающие жизнь человечества безопаснее, эффективнее и удобнее. Новые открытия продолжают вдохновлять, напоминая: наш мир полон еще нераскрытых загадок, а исследовательский дух всегда приводит к успеху!
Источник изображения: Фотобанк Freepik
Источник: scientificrussia.ru
