A theoretical quest for high temperature superconductivity on the example of low-dimensional carbon structures

Abstract

High temperature superconductivity does not necessarily require correlated electron systems with complex competing or coexisting orders. Instead, it may be achieved in a phonon-mediated classical superconductor having a high Debye temperature and large electronic density of states at the Fermi level in a material with light atoms and strong covalent bonds. Quasi-1D conductors seem promising due to the Van Hove singularities in their electronic density of states. In this sense, quasi-1D carbon structures are good candidates. In thin carbon nanotubes, superconductivity at ~15 K has been reported, and it is likely the strong curvature of the graphene sheet which enhances the electron-phonon coupling. We use an ab-initio approach to optimize superconducting quasi-1D carbon structures. We start by calculating a T c of 13.9 K for (4.2) carbon nanotubes (CNT) that agrees well with experiments. Then we reduce the CNT to a ring, open the ring to form chains, optimize bond length and kink structure, and finally form a new type of carbon ring that reaches a T c value of 115 K.

Structure and Properties of Chained Carbon: Recent Ab Initio Studies

“…We used a DFT method to improve quasi-1D superconducting carbon structures (Figure 9). Starting from (4,2) carbon nanotubes we reduced the nanotubes to a loop, opened it to form chains, optimized bond length and bend structure, and formed a new type of closed carbon loop that has a T c of 115 K [37].…”

“…The different carbon structures are shown with increasing T C . Reproduced with permission from[37].…”

Эпитаксиальный Карбин: Аналитические Результаты

“…Отметим, что, помимо изучения собственно карбина, интерес исследователей все чаще привлекают более сложные (композитные) структуры: различные комбинации углеродных цепочек [5,11,27]; карбин, соединяющий графеновые наноленты [4,8,9]; карбин, встроенный в УНТ [3,14]. При этом, естественно, встает вопрос об учете взаимодействия карбина с контактирующими объектами.…”

“…обзор [1], а также [2][3][4]) и, значительно интенсивнее, теоретически (см. [1,3,[5][6][7][8][9][10][11][12][13][14] и ссылки, приведенные там). Хотя первое упоминание о карбине относится к 1921 г., серьезное изучение его свойств началось после бурного старта графеновой тематики [1].…”

“…Таким образом, задача о бесконечной углеродной цепочке утратила чисто академический характер. Теоретически изучались электронные спектры [3,[5][6][7][9][10][11][12][13], электронный транспорт [4,5,8,9], упругость и фононы [3,[7][8][9][10]13,14], оптические свойства [13], сверхпроводимость [11], магнетизм [7], переход Пайерлса между кумуленом и полиином [3,7,10,13]. Как правило, эти и другие работы по карбину представляют собой численные расчеты с использованием DFT (density functional theory) или квантово-химических методов.…”