Письма в ЖЭТФ, том 109, вып. 3, с. 162 - 164

Высокотемпературная сверхпроводимость частиц графита

внедренного в полистирол

А. Н. Ионов⁺¹⁾, М. П. Волков⁺, М. Н. Николаева^∗

⁺Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе, 194021 С.-Петербург, Россия

^∗Институт высокомолекулярных соединений, 199004 С.-Петербург, Россия

Поступила в редакцию 23 ноября 2018 г.

После переработки 23 ноября 2018 г.

Принята к публикации 23 ноября 2018 г.

Для композита графит-полистирол исследованы зависимости магнитного момента от температуры

и магнитного поля. Показано, что для магнитного момента частиц графита наблюдается характерная

для сверхпроводников зависимость от магнитного поля, причем в том же температурном интервале, где

ранее в таком же композите наблюдалась джозефсоновская вольт-амперная характеристика.

DOI: 10.1134/S0370274X19030044

Одной из основных характеристик материалов,

нитного поля с целью обнаружения эффекта Мейс-

обладающих сверхпроводящими свойствами, являет-

снера, т.е. уменьшения магнитного момента компо-

ся джозефсоновский вид вольт-амперной характери-

зита при увеличении магнитного поля.

стики (ВАХ), что отличает их от нормальных метал-

Магнитные измерения образцов проводились

лов, где наблюдается омическая ВАХ. Ранее в [1, 2]

на вибрационном магнитометре комплекса PPMS-9

сообщалось, что в углерод/полимерном композите [3]

(Quantum Design) в интервале температур 2-400 K

наблюдается джозефсоновский вид ВАХ вплоть до

и магнитных полей 0 ÷ ±10 Тл. Измеряемый маг-

температур, превышающих комнатную.

нитометром магнитный момент композита M_comp

Исследованный композит представлял собой мат-

состоит из 3 вкладов: 1) результирующего магнит-

рицу из полистирола, в которую были внедрены тон-

ного момента от всех частиц графита в композите

кие плоские частицы графита длиной несколько мик-

M_carbon; 2) магнитного момента полистирола M_pol;

рон с концентрацией 3 весовых процента. Частицы

3) магнитного момента держателя образца M_hoder.

графита представляли собой сборку из многослойно-

Чтобы определить магнитный момент всех частиц

го графена, в которой, как известно, отдельные гра-

графита M_carbon, надо из магнитного момента

феновые слои связаны друг с другом силами Ван-

композита M_comp вычесть магнитный момент поли-

дер-Ваальса. Характерной особенностью композита

стирола M_pol и магнитный момент держателя. При

являлось то, что между графеновой сборкой, а имен-

отсутствии магнитных примесей частицы графита

но, между ее крайними графеновыми поверхностями

и полистирол должны быть диамагнетиками, как

и краями отдельных графеновых слоев были искус-

и держатель образцов, входящий в комплектацию

ственно созданы ковалентные связи с макромолеку-

магнитометра.

лами полимера (в нашем случае это был полисти-

На рисунке 1 представлены температурные зави-

рол) [3, 4]. Было сделано предположение, что сверх-

симости удельных магнитных моментов для:

проводимость в углерод/полимерном композите воз-

1) композита при H = 0 и H = 0.1 Tл;

никала из-за деформационных напряжений, кото-

рым подвергались многослойные графеновые части-

2) полистирола при H = 0.1 Tл;

цы (flakes) со стороны макромолекул полистирола

3) держателя образца при H = 0.1 Тл.

как следствие их разных термических коэффициен-

Как видно из рис.1: i) магнитный момент держа-

тов расширения [2].

теля образца M_hoder мал и не зависит от темпера-

В настоящей работе для композита, что исследо-

туры; ii) магнитный момент полистирола M_pol при

вался в работах [1,2], проведено измерение зависимо-

H = 0.1Tл положительный и также почти не зави-

стей магнитного момента (M) от температуры и маг-

сит от температуры; iii) магнитный момент компози-

та имеет отрицательное значение при всех темпера-

¹⁾e-mail: ionov@tuch.ioffe.ru

турах. Здесь необходимо отметить, что отрицатель-

162

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 3 - 4

2019

Высокотемпературная сверхпроводимость частиц графита внедренного в полистирол

163

ное значение магнитного момента²⁾, как известно, ха-

рактерно для сверхпроводников при охлаждении в

поле H < H_c и T < T_c.

Рис. 2. Зависимость удельного магнитного момента от

магнитного поля для полимер-углеродного композита

при T = 300 K. Типичная зависимость для всего иссле-

дованного температурного интервала

Рис. 1. (Цветной онлайн) Температурные зависимости

удельного магнитного момента для: 1 - композита (чер-

ные квадраты H = 0 Тл; красная точка H = 0.1 Тл); 2 -

держателя образцов (синий перевернутый треугольник

H = 0.1Тл); 3 - полимера-полистирола (зеленый тре-

угольник)

В области температур T < 75 K уменьшение диа-

магнетизма, по-видимому, обусловлено ростом пара-

магнитного вклада от частиц графита, поскольку

магнитные моменты полистирола и держателя об-

разца, как это видно из рис. 1, от температуры не

зависят.

Для дальнейшего анализа рассмотрим зависи-

мость магнитного момента композита от магнитного

Рис. 3. (Цветной онлайн) Зависимость удельного маг-

поля. На рисунке 2 показана зависимость M_comp от

нитного момента от магнитного поля для: 1 - полимер-

H для T = 300 K, аналогичные зависимости наблю-

углеродного композита (красные точки); 2 - полисти-

даются во всем температурном интервале 5 ÷ 400 K.

рола (черные квадраты) при T = 300 K после вычита-

Как видно из рис.2, M_comp состоит из диамагнит-

ния их соответствующих диамагнитных компонент

ной части и гистерезисной составляющей ферромаг-

нитного типа, которая возрастает с понижением T .

Удельный магнитный момент полистирола M_pol

Представляющая для нас интерес гистерезис-

имеет значительную величину в сравнении с M_comp

ная часть M_comp приведена на рис. 3 после вычи-

и его вклад необходимо вычитать при определении

тания диамагнитной составляющей, в которой име-

магнитного момента углерода M_carbon в композите.

лись вклады как от M_holder, так и M_pol. Здесь необ-

Парамагнитная примесь в полистироле может быть

ходимо отметить, что при исследовании зависимо-

связана с общепринятым в промышленности спосо-

сти M_holder(H, T) нами наблюдался только диамаг-

бом получения стирола, где происходит высокотем-

нетизм, в то же время, аналогичные исследования

пературный контакт с металлическими (ферромаг-

удельного магнитного момента полистирола показа-

нитными) катализаторами.

ли, что помимо диамагнитной составляющей у него

На рисунке 4 показана зависимость M_carbon от H

имеется и парамагнитный вклад, который показан

при температуре 300 K, вычисленная с учетом весо-

также на рис. 3 после вычитания соответствующей

вого вклада полистирола в композит (97 %):

диамагнитной части.

M_carbon(emu) = M_comp(emu × g^-1) × W_comp(g) -

²⁾Диамагнитный сигнал не может быть связан с остаточным

полем сверхпроводящего соленоида, так как оно менее 0.01 Тл.

- M_pol(emu × g^-1) × 0.97W_comp.

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 3 - 4

2019

2^∗

164

А. Н. Ионов, М. П. Волков, М. Н. Николаева

лась в том, что плотность состояний для носителей

тока была на порядки меньше плотности состояний

классического сверхпроводника, имеющего такую

же T_c.

Кроме того, многочисленные наблюдения, сде-

ланные за многие годы, косвенно указывающие на

наличие сверхпроводящих свойств в пиролитическом

графите вплоть до комнатной температуры [13, 14],

могут быть объяснены неконтролируемыми и, следо-

вательно, плохо воспроизводимыми от образца к об-

разцу напряжениями. Например, за счет внутренних

дефектов [15], приводящих к сдвигу или повороту со-

Рис. 4. Зависимость результирующего магнитного мо-

седних графеновых слоев относительно друг друга.

мента для частиц графита от магнитного поля, полу-

ченная после вычитания из композита парамагнитного

В заключение также отметим, что гистерезис, на-

вклада от полистирола при T = 300 K с учетом весо-

блюдаемый в не допированных углеродных матери-

вого вклада полистирола в композит. Типичная зави-

алах в области высоких температур, может быть

симость для всего исследованного температурного ин-

обусловлен исключительно эффектом сверхпроводи-

тервала

мости, а не эффектом ферромагнитного упорядоче-

ния [16].

Для удобства графической иллюстрации вес (W )

композита был принят равным 1g.

A. N. Ionov, Tech. Phys. Lett. 41(7), 651 (2015).

Уменьшение M_carbon(emu) с увеличением магнит-

A. N. Ionov, J. Low. Temp. Phys. 185, 515 (2016).

ного поля до критического значения H_c ≈ 0.5 Tл ука-

M. N. Nikolaeva, A. N. Bugrov, T. D. Anan’eva, and

зывает на сверхпроводящие свойства частиц графи-

A. T. Dideikin, Russ. J. Appl. Chem. 87(8), 1151 (2014).

та, находящихся в ковалентной связи с полистиро-

M. N. Nikolaeva, T. D. Anan’eva, A. N. Bugrov,

лом. При этом сверхпроводящие свойства наблюда-

A. T. Dideikin, and E. M. Ivankova, Nanosystems:

Physics, Chemistry, Mathematics 8(2), 266 (2017).

ются в том же температурном интервале, где ранее

М. Саад, И. Ф. Гильмутдинов, А. Г. Киямов, Д. А. Та-

наблюдался джозефсоновский вид ВАХ [1, 2]. Здесь

юрский, С. И. Никитин, Р. В. Юсупов, Письма в

следует также отметить, что верхняя температура

ЖЭТФ 107(1), 4 (2018).

наблюдения эффекта сверхпроводимости T_c ∼ 400 K,

R. Bistrtzer and A. H. MacDonald, Proc. Natl. Acad.

в нашем случае, близка к T_c, при которой наблюда-

Scie. U.S.A. 108(30), 12233 (2011).

лись незатухающие токи в тонкодисперсном пироли-

N. B. Kopnin, T. T. Heikkilä, and G. E. Volovik, Phys.

тическом графите в результате захвата магнитного

Rev. B 83(1-4), 220503 (2011).

потока [5].

T. Heikkilä, N. B. Kopnin, and G. Volovik, JETP Lett.

Причина возникновения сверхпроводимости

94, 233 (2011).

P. D. Esquinazi, T. T. Heikkilä, Y. V. Lysogorskiy,

в частицах графита, который состоит из сборок

D. A. Tayurskii, and G. E. Volovik, Pis’ma v ZhETF

многослойного графена, может быть связана с

100(5), 374 (2014).

деформацией сдвига, поворота одного слоя гра-

10.

A. Bianconi and T. Jarlborg, Nov. Supercond. Mater.

фена относительно другого из-за сильной связи

1, 37 (2015).

с полистиролом, который, как известно, имеет

11.

G. E. Volovik, JETP Lett. 107, 516 (2018).

отличный от частиц графита коэффициент терми-

12.

Y. Cao, V. Fatemi, S. Fang, K. Watanabe, T. Taniguchi,

ческого расширения/сжатия. В результате этого в

E. Kaxiras, and P. Jarillo-Herrero, Nature 556,

области интерфейса между графеновыми слоями

(2018).

возникают плоские энергетические зоны, которые

13.

K. Antonowicz, Nature 247, 358 (1974).

могут приводить к высокотемпературной, комнат-

14.

P. D. Esquinazi, C. E. Precker, M. Stiller,

ной сверхпроводимости

[6-11]. Предположение о

T. R. S. Cordeiro, J. Barzola-Quiquia, A. Setzer,

and W. Böhlmann, Quantum Stud.: Math. Found. 5,

роли деформации в появлении сверхпроводимости

41 (2018).

согласуется и с результатами работы [12], в которой

15.

F. Arnold, J. Nyéki, and J. Saunders, JETP Lett.

наблюдался эффект не классической сверхпроводи-

107(9), 577 (2018).

мости с T_c = 1.7 K в сэндвиче из двух слоев графена,

16.

N. Kheirabadi, A. Shafiekhani, and M. Fathipour,

повернутых на некоторый угол относительно друг

Superlattices and Microstructures 74, 123 (2014).

друга. Необычность сверхпроводимости заключа-

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 3 - 4

2019