Графен — необычная аллотропная модификация углерода, состоящая всего из одного слоя атомов, уже не раз обнаруживала все новые и новые неожиданные свойства. В журнале Science от 30 июля опубликована статья, подписанная межинститутской группой американских ученых под руководством Майкла Кромми, сотрудника отдела материаловедения в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и профессора физики в Калифорнийском университете в Беркли. Ученые сообщают о создании псевдомагнитных полей, намного больших по силе, чем любые магнитные поля, когда-либо получаемые в лабораторных условиях — и все это лишь приложением механического напряжения к листу графена.
«Мы экспериментально показали, что тогда, когда графен растягивается с образованием нанопузырей на платиновой подложке, электроны в нем ведут себя так, как если бы они были подвержены действию магнитного поля индукцией свыше 300 тесла — хотя никакое магнитное поле к ним не прикладывалось», — пишет Кромми. «Это совершенно новое физическое явление, не имеющее аналогов». Текущий рекорд для полученного в лаборатории традиционным путем постоянного магнитного поля — 85 тесла, выше магниты просто разрушаются сами собой.
В данном случае никакого магнитного поля нет, но электроны все равно ведут себя так, как будто к ним приложено магнитное поле с невероятной индукцией в сотни тесла — в десятки миллионов раз сильнее магнитного поля Земли.
Сама идея появления псевдомагнитных полей при деформации графена была высказана теоретиками совсем недавно — в начале 2010 года испанский физик Франциско Гинеа из Мадридского института материаловедения предсказал, что при растягивании графена по трем кристаллографическим направлениям электроны в нем будут вести себя подобно электронам в сильном магнитном поле. Причиной этого является изменение длины связей между атомами и, следовательно, движения свободных электронов между ними. Гинеа также является одним из авторов данной работы.
В классической физике электроны в магнитном поле двигаются по циклотронным орбитам, имеющим форму окружности. В квантовой механике, однако, циклотронные орбиты квантуются, делясь на дискретные энергетические уровни (уровни Ландау). Количество электронов на каждом уровне зависит от силы магнитного поля — чем сильнее поле, тем на более высокие уровни «забираются» электроны и тем больше электронов на каждом уровне. Именно это и происходит в деформированном графене, но без магнитного поля.
Это удивительное явление было открыто почти случайно, при исследовании слоев графена на платиновой подложке с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Обнаружив аномальные изменения электрического тока в графене, Кромми показал их теоретику из Бостонского университета Антонио Кастро-Нето, находившемуся в лаборатории имени Лоуренса совершенно по другому вопросу.
Микроскопия показала появление на поверхности графена нанопузырей — треугольных деформаций, похожих по форме на маленькие пирамидки высотой от четырех до десяти нанометров. Нарушение плотности электронных состояний было связано именно с ними. Эффект проявляется даже при комнатной температуре.
Данная работа открывает широчайшие перспективы в науке и технологии, обещая множество важнейших практических приложений и фундаментальных научных открытий — и все это благодаря необычным свойствам графена.
Кроме Кромми, Гинеа и Кастро-Нето, авторами работы являются Нив Леви, Сара Берк, Кэси Микер, Мелисса Панласигви и Алекс Зеттль. Работа была профинансирована Управлением по науке Министерства энергетики США и Научно-исследовательским управлением ВМС США.
Нобелевский лауреат Новоселов поделился возможными близкими практическими перспективами применения графена
В 2011 или 2012 году на рынке появится первое устройство, созданное с применением инновационного материала графена, это будет мобильный телефон с принципиально новым сенсорным экраном. В то же время компьютерные чипы на основе графена могут получить распространение не ранее чем через десять лет, считает Новоселов.
По словам экспертов, графеновый сенсорный дисплей, в отличие от ныне существующих, будет намного более устойчивым к износу, фактически "вечным". Графен также может найти применение при изготовлении телевизионных экранов, световых панелей и солнечных батарей.
В сообщении Шведской академии о присуждении премии говорится, что в будущем из пластика с добавлением графена могут производиться спутники, самолеты и автомобили, необыкновенно легкие и прочные.
Ученые также предсказывают, что графен – слой углерода толщиной в один атом – придет на смену кремнию при производстве транзисторов. Изготовленные из них компьютерные микросхемы будут работать быстрее, чем кремниевые.
"Идея практического применения графена витает в воздухе. Многие компании, которые этим занимаются, в частности, Samsung, предполагают выпустить первые продукты, которые основываются на этом материале, в 2011-2012 году, – сказал Константин Новоселов. – Я очень надеюсь, что практическое применение скоро будет очевидно для всех.
Вы сами подумайте: у вас есть материал, самый тонкий из всех, которые можно создать. Это самый прочный материал, который можно получить, самый эластичный, самый проводящий, у него есть еще с десяток свойств, к которым применимо слово "самый".
В частности, одним из первых его применений будет прозрачное проводящее покрытие, которое применяется в жидкокристаллических дисплеях, в солнечных батареях".
"Что касается использования графена при производстве компьютеров, это, конечно же, очень далеко идущие планы, – продолжает Новоселов. – Графен не заменит кремний в течение по крайней мере следующих десяти лет. Причина не в том, что кремний плох или хорош или графен плох или хорош. У нас недостаточно умения, чтобы производить те транзисторы, которые мы хотим произвести из графена.
Мы можем сделать один-два, но сделать тысячи и десятки тысяч, которые необходимы для микропроцессора, мы не умеем. И мы не умеем делать это ни из графена, ни из кремния. Но в других электронных приложениях этот материал может вполне найти применение, например, в высокочастотных транзисторах для мобильных телефонов, сверхбыстрых оптических датчиках для оптоволоконной связи. Это все вполне реально", – сказал нобелевский лауреат.
Физик Новоселов не планирует открывать собственную компанию для коммерческого использования своего открытия. "Нет, это занимает очень много времени. Я получаю намного больше удовольствия, если занимаюсь физикой". "Мы сотрудничаем с Samsung, какое-то время мы работали с IBM, но сейчас мы передали это нашим студентам, которые открыли свою фирму, – говорит Новоселов.
"Есть много компаний, которые мы консультируем. Мы сотрудничаем с военно-воздушными и военно-морскими силами Америки", – добавил он. Пентагон финансирует разработку компанией IBM радиочастотных транзисторов на основе графена".
Константин Новоселов заявил, что у него были контакты с представителями российской компании "Роснано". "Я разговаривал с людьми из "Роснано", рассказывал им про возможности графена. Но ни о чем конкретном мы пока не говорили", – сказал ученый.
"Мы не занимаемся доработкой этого материала для его практического приложения, – пояснил нобелевский лауреат. – Мы занимаемся "вкусными" вещами, чтобы выявить какие-то интересные свойства, то, чего раньше никто не видел. Идей масса. Этот материал только начали изучать. Разумеется, мы будем делать это и дальше. Работы еще непочатый край", – говорит Константин Новоселов.
Константин Новоселов, Ирина Григорьева и Андрей Гейм
