СВЕРХПРОВОДНИКИ

Двумерные магнитные вихри в ВТСП

Вскоре после открытия ВТСП выяснилось, что одним из следствий высоких T_c является сильное влияние тепловых флуктуаций на систему магнитных вихрей: при T > T_m реализуется фаза вихревой жидкости, а при T < T_m – фаза вихревого стекла. Было установлено, что T_m уменьшается с ростом H, но вид кривой T_m(H) при больших H оставался неясным. Между тем, теоретики предсказывали, что в достаточно сильном магнитном поле, параллельном оси c, вихри должны становиться эффективно двумерными из-за нарушения когерентности между формирующими эти вихри сверхтоками в разных слоях CuO₂. А для двумерных вихрей величина T_m, опять же согласно теории, не зависит от H. В работе [1] зависимость T_m от H в монокристаллах Bi-2212 определена при H £ 29 Тл путем анализа спектров ЯМР на ядрах изотопа ¹⁷O. Оказалось, что, действительно, T_m » const при H > 22 Тл (см. рис.). Минимальная температура T_m^2D, ниже которой вихревая система находится в "твердом" (предположительно – разупорядоченном) состоянии, составляет (12 ± 1) К и около 16 К в образцах с T_c = 75 К и 85 К, соответственно (различающихся содержанием кислорода, то есть концентрацией дырочных носителей). Полученные результаты свидетельствуют о принципиальной возможности использования ВТСП в магнитных системах со сверхсильными полями H > 30 Тл.

Фазовая диаграмма Bi-2212 в координатах T-H при параллельном оси c направлении магнитного поля. Кривая T_m(H) разделяет фазы вихревой жидкости и вихревого стекла. Вертикальная линия отвечает температуре плавления системы двумерных вихрей T_m^2D, определенной из сравнения эксперимента с теорией.

Л.Опенов

1. B.Chen et al., Nature Physics 3, 239 (2007)

Исследования слабо допированных ВТСП важны для понимания их необычных свойств и природы высокотемпературной сверхпроводимости. Вблизи критической концентрации дырок x_c, при которой исчезает сверхпроводимость, на фазовой диаграмме соседствуют три различные фазы: сверхпроводящая, антиферромагнитная и псевдощелевая. До сих пор остается непонятным, как разрушается сверхпроводимость когда x уменьшается до x_c при очень низкой температуре: происходит ли при x = x_с внезапное исчезновение конденсата куперовских пар, или же фазовая когерентность конденсата нарушается спонтанно возникающими вихрями, как и при конечной температуре? В литературе имеется очень мало экспериментальных данных о намагниченности ВТСП в этой области фазовой диаграммы (x ≈ x_c, T → 0).

 Фазовая диаграмма ВТСП La_2-xSr_xCuO₄ в координатах x-H при T ® 0. Штриховые линии – зависимости поля необратимости H_irr от x при различных температурах. Сплошная линия – зависимость H₀ = H_irr(T ® 0) от x.

В работе американских и японских физиков представлены результаты детального исследования намагниченности монокристаллов La_2-xSr_xCuO₄ с x = 0.03 ÷ 0.09 при T ³ 0.35 К и H £ 55 Тл. Проанализировав полученные результаты, авторы построили фазовую диаграмму при T ® 0 в координатах x-H (см. рис.). Из вида границы H₀(x) фазы вихревой жидкости (а именно – из отрицательной кривизны H₀(x) и почти вертикального наклона H₀(x) при x ® x_c » 0.055) они сделали вывод о наличии при T ® 0, H ® 0 и x = x_c  квантовой критической точки и о том, что сверхпроводимость при x = x_c разрушается из-за спонтанного появления вихрей/антивихрей, возникающих вследствие локализации носителей и сильных флуктуаций фазы.

Спиновые состояния электронов и атомных ядер рассматриваются как вероятные кандидаты в логические состояния квантовых битов (кубитов). Например, избыточный электрон, занимающий размерно-квантованный энергетический уровень в зоне проводимости полупроводниковой квантовой точки ("искусственного атома"), может находиться в суперпозиции состояний "спин вверх" и "спин вниз", то есть представлять собой один кубит, а пара таких квантовых точек ("искусственная молекула") является уже двухкубитной системой, операции с которой предполагается осуществлять, управляя гейзенберговским обменным взаимодействием между электронами путем воздействия электрических импульсов. Однако масштабирование таких систем – чрезвычайно сложная задача. На современном технологическом уровне не удается изготавливать массивы из достаточно большого количества квантовых точек, имеющих наперед заданные характеристики. Это ведет к ошибкам при операциях с кубитами и влечет за собой потребность в многочисленных "корректирующих электродах". В этой ситуации разумно вспомнить про естественные (а не искусственные) молекулы и попробовать использовать их в качестве носителей квантовой информации.

(a) Схематическое изображение молекулы полиоксометалата PMo₁₂O₄₀(VO)₂, отделенной диэлектрическим туннельным барьером от металлического проводника и связанной за счет туннельного взаимодействия G с иглой туннельного микроскопа. Левая и правая стрелки обозначают спины, локализованные в пирамидах VO₅ (красный цвет), а центральная стрелка – суммарный спин делокализованных валентных электронов октаэдров MoO₆ (синий цвет)

(b) Атомное строение молекулы PMo₁₂O₄₀(VO)₂. Кружки изображают атомы O (серый цвет), Mo (синий), V (красный), P (желтый).

В работе [1] швейцарских и испанских теоретиков под руководством Д. Лосса (Daniel Loss) электронные и магнитные свойства молекулы полиоксометалата PMo₁₂O₄₀(VO)₂ проанализированы с точки зрения перспективы ее использования как элементарной двухкубитной системы. В этой молекуле (см. рис.) два электронных спина-кубита локализованы на ванадиевых группах (по одному на каждой), разделенных центральным ядром Mo₁₂O₄₀, выполняющим функцию резервуара для делокализованных электронов, изменяя число которых (например, за счет их туннелирования в иглу туннельного микроскопа или из нее) можно регулировать взаимодействие между спинами-кубитами и выполнять двухкубитные операции. Расчеты показали, что максимальная точность (fidelity) одной операции достигает 0.99. Для "считывания" результатов операции предложено измерять туннельный ток через сердцевину молекулы (если результирующее спиновое состояние является суперпозиционным, то необходимо выполнять усреднение по многим измерениям). Авторы считают, что масштабирование таких молекулярных кубитов вполне по силам современной нанотехнологии, хотя, конечно, для осуществления многокубитных операций вместо туннельного микроскопа при этом придется задействовать другие методики, некоторые из которых обсуждаются в статье. Ну, а подобрать оптимальные молекулы-"кубитоносители" должны помочь химики.

Аттосекундная спектроскопия туннельной ионизации атомов

Характерное время изменения электронных состояний в атомах и молекулах составляет несколько десятков аттосекунд (1 ас = 10^-18 с). Для экспериментального наблюдения таких быстро протекающих процессов необходима очень высокая разрешающая способность. В работе [1] большого коллектива немецких, австрийских, голландских и российских (ИЯФ МГУ) специалистов (см. также [2,3]) сообщается о регистрации актов туннелирования электронов из атомов Ne и Xe в поле лазерной волны с разрешением по времени ~ 100 ас. Сначала на атомы воздействовали рентгеновским импульсом от синхротронного источника длительностью 250 ас и энергией фотонов около 90 эВ. Этой энергии хватало на однократную ионизацию атомов и переход оставшихся ионов в возбужденные состояния (см. рис.). Затем (с контролируемой задержкой) на атомы воздействовали излучением лазера с длиной волны в ближнем ИК диапазоне. Когда электрическое поле лазерной волны достигает своего максимума, потенциальный барьер, удерживающий возбужденный электрон вблизи ядра, существенно понижается, и этот электрон легко туннелирует через него, оставляя после себя уже двукратно ионизированный атом. Поскольку поле достигает максимума с интервалом, равным половине периода лазерной волны, то ровно через такие интервалы и происходят "ступенчатые" изменения числа двукратно ионизированных атомов, что и наблюдалось на эксперименте. По крутизне этих ступенек можно в принципе судить о продолжительности процесса туннельной ионизации. Суммарное время, в течение которого происходит возбуждение атома и его последующая ионизация, Dt < 300 ас. Для более точного определения Dt необходимо существенно уменьшить длительность рентгеновского импульса. Полученные в [1] результаты хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями, сделанными акад. Л.В.Келдышем более 40 лет тому назад [Л.В.Келдыш, ЖЭТФ 47, 1945 (1964)].

Схематическая иллюстрация процессов, лежащих в основе методики наблюдения ионизации атомов лазерным полем "в режиме реального времени" [1].

(a) Воздействие короткого импульса рентгеновского излучения приводит к ионизации атома Ne и переходу иона Ne⁺ в возбужденное состояние Ne⁺*.

Авторы [1] использовали свою методику и для изучения гораздо более медленных процессов – релаксации возбужденных состояний ионов Xe²⁺ и Xe³⁺. Они наблюдали каскады переходов между состояниями с временами жизни несколько фемтосекунд, в том числе, например, оже-переходы. Дальнейшее совершенствование этой методики позволит лучше разобраться в деталях эволюции электронной структуры атомов и молекул.

1. M.Uiberacker et al., Nature 446, 627 (2007).

2. J.P.Marangos, Nature 446, 619 (2007).

3. Y.Bhattacharjee, Science 316, 33 (2007).

ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ

Углеродные нанотрубки (УНТ) отличаются рекордно высокими механическими характеристиками. Так, модуль Юнга однослойной УНТ составляет порядка терапаскаля, что в десятки раз превышает соответствующую величину для наиболее прочных стальных нитей и тросов. Это открывает перспективы создания на основе УНТ новых сверхпрочных гибких материалов, сочетающих высокие механические качества с хорошей электропроводностью и химической стабильностью. Однако при переходе от индивидуальной нанотрубки к макро-скопическим материалам, содержащим большое количество таких объектов, прочностные качества материала снижаются. Так, модуль Юнга жгутов, состоящих из нескольких сотен однослойных УНТ, не превышает 10 ГПа, что в несколько раз ниже соответствующей величины для самых прочных стальных тросов. Это обусловлено тем обстоятельством, что силы взаимодействия между соседними нанотрубками, входящими в состав макроскопического материала, существенно (на 1 - 2 порядка) слабее, чем силы взаимодействия между соседними атомами углерода, принадлежащими одной нанотрубке. Поэтому механическая нагрузка, накладываемая на определенные нанотрубки, плохо передается другим нанотрубкам, которые непосредственно не подвержены воздействию, и растяжение материала под действием механической нагрузки обусловлено не столько растяжением индивидуальных нанотрубок, входящих в его структуру, сколько движением нанотрубок в материале друг относительно друга.

а) Изображение жгутов УНТ, подверженных процедуре скручивания на 10, 30, 50 и 70 оборотов, соответственно (сверху вниз); b) зависимость нагрузки от числа витков скручивания (на вставке показано, как при большом скручивании жгут теряет прямолинейную форму); с) зависимость прочности на разрыв от числа витков скручивания.

Эффективный способ повышения прочности нитей, состоящих из большого числа индивидуальных однослойных УНТ, разработан недавно в одном из университетов Тайваня, где использование методики скручивания толстых нитей из УНТ привело к многократному увеличению модуля Юнга [1]. Однослойные УНТ были синтезированы в результате пиролиза феррроцена при температуре 1200 °C. Исходные образцы, имеющие структуру пленки, сворачивались с помощью специального моторчика в жгуты диаметром около 15 мкм и длиной 8 см. Наблюдения, выполненные с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывают, число оборотов на 1 см длины исходного жгута, составляет около 10. Было отобрано несколько жгутов, каждый из которых подвергался закручиванию на 10, 30, 50 и 70 оборотов, соответственно (см. рис.). Это приводило к некоторому (не более 7%) укорачиванию жгутов и существенному (до трехкратного) увеличению их плотности.

Прочность жгутов, подвергнутых процедуре скручивания, измерялась стандартным методом в зависимости от числа витков. Как видно, скручивание на 70 витков приводит к шестикратному увеличению прочности жгутов на разрыв. Если число витков превышает 100, прочность существенно снижается, что связано с нарушением прямолинейной формы жгута.

А.В.Елецкий

1. T.-W. Cheng, W.-K. Hsu Appl. Phys. Lett. 90, 123102 (2007)

Как известно, углеродные нанотрубки (УНТ) обладают рекордной прочностью, которая характеризуется величиной модуля Юнга, достигающей терапаскалей. Практическое использование этого замечательного свойства УНТ в области создания сверхпрочных материалов затруднено в силу чрезвычайно малых размеров, а также весьма высокой стоимости получения УНТ. Наиболее эффективный путь к решению данной проблемы связан с созданием нанокомпозитов, т. е. полимерных материалов, содержащих некоторое, весьма небольшое количество УНТ. При этом главная трудность состоит в обеспечении хорошего механического сопряжения между поверхностью нанотрубки и молекулами полимерной матрицы. При отсутствии такого сопряжения нанотрубка внутри матрицы ведет себя подобно волосу в пироге, не повышая, а скорее снижая прочность материала. Если не предпринимать специальных действий, то полимер, модифицированный УНТ, должен обладать повышенной ползучестью, что не позволяет говорить об улучшении его механических характеристик. В связи с этим усилия многих исследователей направлены на создание достаточно прочных химических связей между УНТ и молекулами, входящими в состав полимерной матрицы. Из недавних публикаций на данную тему можно упомянуть работу, выполненную в Политехническом институте штата Нью-Йорк, авторы которой сосредоточили свое внимание на явлении ползучести полимеров, модифицированных УНТ. В эксперименте использовали коммерческие образцы однослойных УНТ длиной от 5 до 30 мкм и диаметром между 1 и 2 нм. Чистота образцов превышала 95% (масс.). В качестве полимерной матрицы использовали эпоксидную смолу с температурой стеклования 90^оС. Суспензию, состоящую из 300 мг поверхностно-активного вещества с добавлением 2 мл ацетона, и 0.001 - 1 % (масс.) нанотрубок, тщательно перемешивали в течение 15 мин., после чего в течение 30 мин. подвергали ультразвуковой обработке. Полученную однородную смесь вводили в эпоксидную смолу и также подвергали перемешиванию и ультразвуковой обработке. Прогрев образца в течение 10 час. при 50^оС приводил к испарению ацетона. Затем образец вновь охлаждали, и в него вводили 75 мг препарата, способствующего дегазации в вакууме при комнатной температуре. После добавления консерванта образцы выдерживали в течение 24 часов при комнатной температуре и давлении около 5,5 атм. Механические испытания полученных образцов проводили при длительной нагрузке 100 атм. Результат испытаний, представляющий временную зависимость относительного растяжения образца, измеренную при постоянной нагрузке, сравнивается на рис. 1 с аналогичной зависимостью, полученной для подобного образца, не содержащего УНТ.

Рис. 1. Зависимость относительного растяжения образца эпоксидного полимера, содержащего 0,1% УНТ, от времени (пунктир). Для сравнения приведена аналогичная зависимость для полимера, не содержащего УНТ (сплошная линия).

Как видно, образец полимера, содержащий УНТ, характеризуется примерно на 30% меньшей ползучестью по сравнению с исходным композитом.  Результаты исследований указывают на немонотонную зависимость ползучести от содержания нанотрубок в образце. Оптимальное содержание составляет 0,1 - 0,2%, при более высоких содержаниях УНТ эффект уменьшается и окончательно пропадает при давлении около 300 атм. Эффект уменьшения ползучести композитов при добавлении УНТ падает по мере роста нагрузки, что объясняется разрушением связи между поверхностью нанотрубки и молекулами полимерной матрицы. Однако подобного падения не происходит при увеличении температуры от комнатной до 55^оС. Интересно отметить, что описанный эффект снижения ползучести полимеров наблюдается только при добавлении однослойных УНТ и полностью отсутствует при добавлении как многослойных нанотрубок, так и фуллеренов.

А.В.Елецкий

Вести с конференций

Эпоха углерода

Один и тот же химический элемент может образовывать вещества с совершенно различными физическими (и потребительскими) характеристиками. Хрестоматийный пример из учебников середины прошлого века – алмаз и графит. Фуллерены, открытые в 1985 году и представляющие собой нульмерные (то есть не имеющие макроскопических размеров ни по одному из трех пространственных направлений)объекты, сразу же окрестили третьей формой углерода. Вслед за фуллеренами были синтезированы одномерные (нанотрубки) и двумерные (графеновые слои) углеродные наноструктуры. Необычные свойства этих наноструктур и перспективы их практического использования стали главной темой состоявшейся 10-17 марта 2007 г. в Австрии Международной зимней школы IWEPNM-2007.

Рис.1 (a) Кластер N@C₆₀; (b) "Стручок" из кластеров C₆₀ и C₅₉N в нанотрубке (красные кружки – атомы азота).

Много докладов было посвящено "химической модификации" фуллеренов C₆₀. Так, например, кластеры C₅₉N и N@C₆₀ (рис.1a) предложено использовать в квантовых информационных системах. Роль кубитов при этом будут играть спины атомов азота. В кластерах N@C₆₀ атомы N защищены от воздействия окружения углеродной оболочкой, вследствие чего времена сохранения когерентности спиновых состояний достигают 0.24 мс. Помещая такие кластеры в нанотрубку, как горошины в стручок (рис.1b), можно организовать двух- и многокубитные операции за счет взаимодействия между спинами разных кластеров. Для регистрации магнитных состояний кластеров можно использовать СКВИДы на основе все тех же нанотрубок.

Рис.2 Двустенная углеродная нанотрубка с внутренним слоем из атомов ¹³C.

В центре внимания участников школы был, конечно, графен – монослой атомов углерода, который лишь недавно научились отделять от графита или изготавливать какими-либо другими способами (как на подложках, так и без оных). С обзорным докладом выступил один из "отцов" графена Константин Новоселов. Он заметил, что "пока мы видим лишь верхушку айсберга", и в скором времени графен преподнесет нам новые сюрпризы. Электроны в графене ведут себя подобно безмассовым дираковским фермионам, а их подвижность на порядок больше, чем в кремнии. Квантовый эффект Холла наблюдается в графене при комнатной температуре. Из узких графеновых полосок изготавливают различные наноустройства, пока в лабораторных масштабах. Во многих выступлениях отмечалась необходимость выхода за рамки одночастичной картины и учета межэлектронного взаимодействия для описания экспериментально наблюдаемой электронной структуры графена.

Может статься, что уже в недалеком будущем углеродные наноструктуры если и не заменят полностью, то по крайней мере существенно потеснят кремний с занимаемых им лидирующих позиций в электронике.

По материалам заметок [Nature Materials 6, 332 (2007), Nature Nanotechnology 2, 191 (2007)]