Углеродные нанотрубки при низких температурах

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой цилиндрические структуры из атомов углерода, свернутых в графеновые листы. Их диаметр колеблется от 0,4 до 50 нм, а длина может достигать нескольких микрометров и даже миллиметров. В зависимости от числа стенок различают однослойные (SWCNT) и многослойные нанотрубки (MWCNT). При низких температурах углеродные нанотрубки проявляют уникальные квантовые эффекты, которые не наблюдаются при комнатной температуре.

Электронная структура и квантовые эффекты

Электронная плотность состояния в УНТ существенно зависит от хиральности (направления скручивания графенового листа). SWCNT могут быть металлическими или полупроводниковыми в зависимости от индексов Чирила (n, m). При температурах ниже 10 K наблюдается усиление квантовых эффектов:

  • Квантовый проводящий переход. Металлические УНТ демонстрируют проводимость, подчиняющуюся законам квантовой механики. Проведение осуществляется через дискретные уровни энергии, образующиеся из-за одномерного характера системы.
  • Локализация электронов. В ультрахолодных условиях дисперсия электронов ограничивается, проявляется слабая локализация, что приводит к изменению проводимости при очень низких температурах (эффект Андерасона).
  • Квантовый туннельный эффект. Электроны способны туннелировать через потенциальные барьеры, образованные дефектами или границами нанотрубок, что проявляется в аномальной температурной зависимости сопротивления.

Фононные свойства и теплоемкость

Фононная спектроскопия УНТ при низких температурах позволяет исследовать колебательные режимы, характерные для одномерных систем:

  • Квантование фононных мод. В одномерных структурах колебательные моды дискретизируются. Особенно выражено это при температурах ниже 10 K.
  • Теплоемкость C(T) демонстрирует аномальный температурный закон. Для однослойных нанотрубок при T → 0 K она подчиняется закону C(T) ∼ T, что отличается от кубического закона Дебая для трехмерных кристаллов C(T) ∼ T3.
  • Фононное рассеяние. При низких температурах основным механизмом рассеяния фононов становится рассеяние на дефектах и границах трубки. В чистых УНТ наблюдается высокий коэффициент теплопроводности.

Магнитные свойства

Углеродные нанотрубки проявляют необычные магнитные эффекты в условиях криогенных температур:

  • Ароматические кольцевые токи. В замкнутых УНТ индуцируются персистентные токи, которые сохраняются даже при T → 0 K.
  • Спиновые эффекты. В случае локализованных электронов проявляются эффекты Кондо и спиновой фильтрации, что делает УНТ перспективными для спинтроники.
  • Магнитная восприимчивость. Металлические нанотрубки демонстрируют диамагнетизм с анизотропной температурной зависимостью, обусловленный особенностями зонной структуры.

Сверхпроводимость в нанотрубках

Хотя углерод сам по себе не является сверхпроводником, эксперименты показали, что при низких температурах и определенной химической модификации (например, при интеркаляции щелочными металлами) УНТ могут демонстрировать сверхпроводимость:

  • Одномерная сверхпроводимость. Сверхпроводящие нанотрубки демонстрируют квантование магнитного потока и шаговую зависимость критического тока.
  • Влияние дефектов. Наличие точечных дефектов или локальных изменений химического состава может значительно снижать критическую температуру Tc, но также позволяет наблюдать квантовые флуктуации фазового порядка.
  • Применение в квантовых приборах. Сверхпроводящие нанотрубки используют в наноскопических SQUID-устройствах и для создания квантовых битов.

Теплопроводность и тепловые эффекты

Низкотемпературная теплопроводность УНТ определяется квантовыми эффектами и особенностями фононного спектра:

  • Квант теплопроводности. В идеальных одномерных нанотрубках теплопроводность при T → 0 K становится дискретной, соответствуя фундаментальному квантовому пределу κ0 = π2kB2T/3h на одну фононную моду.
  • Анизотропия. Теплопроводность вдоль оси трубки значительно выше, чем в поперечном направлении, что связано с ограничением движения фононов в двумерной плоскости.
  • Фононное рассеяние на дефектах и контактах. При низких температурах рассеяние на границах и дефектах становится доминирующим фактором, что приводит к насыщению теплопроводности.

Экспериментальные методы исследования

Для изучения свойств УНТ при криогенных температурах используются специфические методы:

  • Микрохелиметрия и SQUID-магнитометрия для измерения магнитной восприимчивости и персистентных токов.
  • Раман-спектроскопия при низких температурах для исследования фононных мод и их квантования.
  • Электронная транспортная спектроскопия в наноканалах для наблюдения туннельных и квантовых эффектов.
  • Тепловая измерительная микроскопия для оценки теплопроводности и специфической теплоемкости отдельных нанотрубок.
Оглавление