Обычный синий пигмент помог физикам приблизиться к предельной миниатюризации проводов. Под давлением около 200 тысяч атмосфер фталоцианин меди превратился в цепочки длиной более 4000 атомов, выстроенных практически в одну линию. Получившаяся структура имеет толщину всего в один атом по металлическому сердечнику, но сохраняет форму даже после снятия давления.
Одноатомные металлические цепочки считаются предельным вариантом одномерного проводника. Раньше физикам удавалось получать сравнительно короткие структуры, поскольку по мере роста цепочки стабилизирующие молекулы становились плохо растворимыми и синтез останавливался. Новое исследование, опубликованное в Science, позволило увеличить длину подобных цепочек более чем на два порядка и довести размер отдельных образцов до микрометров.
В качестве исходного материала исследователи выбрали β-фталоцианин меди, известный как основа широко используемых синих пигментов. Молекулы соединения имеют плоскую форму и в кристалле укладываются друг над другом, причем атомы меди сразу образуют упорядоченный ряд. Такая геометрия дала физикам готовую заготовку для будущей атомной проволоки.
При сжатии расстояние между соседними атомами меди постепенно сокращалось. Полимеризация начиналась примерно при 21,5 ГПа. Одновременно окружающие медь углеродные структуры соединялись между собой и формировали прочную оболочку, которая фиксировала атомы металла в вытянутой цепочке. Расстояние между соседними атомами меди составило около 2,57 ангстрема.
Получившийся нанопровод напоминает многослойный кабель в предельно уменьшенном масштабе. В центре проходит одноатомная цепочка меди, вокруг располагается каркас из углерода и азота, а наружный слой образует прочная углеродная оболочка. Защитный слой оказался настолько устойчивым, что отдельные цепочки выдерживали многочасовую обработку кислотой и сильный ультразвук без разрушения.
Неожиданной оказалась природа проводимости. Медные атомы расположены очень близко, но полноценные химические связи между соседними атомами практически не формируются. Расчеты связывают перенос заряда главным образом с углеродными орбиталями окружающего каркаса. В реальных образцах ток проходил вдоль цепочек более чем в десять раз легче, чем поперек. Для идеальной структуры расчеты предсказывают разницу до 1000 раз.
Ученые также обнаружили антиферромагнитное взаимодействие между соседними атомами меди. Магнитные моменты вдоль цепочки ориентируются в противоположных направлениях, поэтому материал представляет интерес не только для наноэлектроники, но и для исследований одномерного магнетизма и перспективных спинтронных устройств.
Еще одним важным результатом стала возможность получать материал не только в следовых количествах. С помощью пресса высокого давления исследователи синтезировали кристаллы в миллиграммовом масштабе, после чего отдельные атомные цепочки удалось извлечь из общей структуры. Эксперименты с фталоцианинами кобальта, никеля и цинка показали, что разработанный метод потенциально подходит и для других металлов.
До промышленного производства атомных проводов пока далеко. Синтез требует давления в десятки гигапаскалей, поэтому перенос технологии на массовое производство остается сложной задачей. Главная ценность работы заключается в другом: физики получили стабильные одномерные структуры длиной в тысячи атомов и показали способ обходить ограничение, которое десятилетиями мешало выращивать длинные одноатомные цепочки. Такой подход может пригодиться при создании новых материалов для наноэлектроники, спинтроники и фундаментальных исследований поведения вещества в одном измерении.
