När ett nytt material upptäcks, forskare är ivriga att ta reda på om det kan vara supraledande eller inte. Detta gäller särskilt vidundermaterialet grafen. Nu, ett internationellt team kring forskare vid universitetet i Wien avslöjade den supraledande parningsmekanismen i kalciumdopad grafen med hjälp av ARPES-metoden. Deras resultat publiceras i den välrenommerade tidskriften Naturkommunikation .

Supraledande material uppvisar en ovärderlig egenskap när de kyls under en kritisk temperatur – de tillåter transport av en elektrisk ström utan förlust. Supraledning bygger på att i vissa material kan elektroner paras ihop som – vid högre temperatur – annars skulle stöta bort varandra. Forskare från Electronic Properties of Materials Group vid Fysiska fakulteten (Universitetet i Wien) och deras samarbetspartners slog sig samman för att avslöja den potentiella supraledande kopplingsmekanismen hos undermaterialet grafen.

grafen, ett enatoms tjockt lager av kolatomer upptäcktes 2004 och anses vara ett av de mest fantastiska och mångsidiga ämnena som finns tillgängliga för mänskligheten. Effekten av det första riktiga tvådimensionella materialet är så betydande att ett Nobelpris delades ut för dess upptäckt. Tills nyligen, det fanns inga experimentella rapporter om supraledning i grafen även om dess nära släktingar, grafit och fullerener kan göras supraledande genom att avsiktligt införa elektroner i materialet (dopning).

ARPES-metoden – hur ljus kastar ljus över supraledning

För att belysa supraledning i grafen, forskarna tog till den kraftfulla fotoemissionsmetoden:när en ljuspartikel interagerar med ett material kan den överföra all sin energi till en elektron inuti det materialet. Om ljusets energi är tillräckligt stor, elektronen får tillräckligt med energi för att fly från materialet. Att bestämma vinkeln under vilken elektronerna flyr från materialet gör det möjligt för forskarna att extrahera värdefull information om materialets elektroniska egenskaper och de komplexa växelverkan mellan flera kroppar. Nikolay Verbitskiy och Alexander Grüneis från University of Vienna tillsammans med Alexander Fedorov och Denis Vyalikh från IFW-Dresden och TU-Dresden och Danny Haberer från University of California i Berkeley och deras kollegor använde denna teknik – den så kallade Angle-resolved photoemission spektroskopi (ARPES) – vid Elettra-synkrotronen i Trieste där de undersökte interaktionen mellan en serie elektrondopanter (Cs, Rb, K, Nej, Li, Ca) med monolager grafen.

Vem gör betyget?

Enligt forskarnas resultat, kalcium är den mest lovande kandidaten för att inducera supraledning i grafen med en kritisk temperatur på cirka 1,5K. Denna kritiska temperatur är ganska låg jämfört med t.ex. fullerener som supraleder vid 33K. Dock, grafen erbjuder flera stora fördelar jämfört med många andra material. Eftersom det bara består av kolatomer ordnade i enkla lager, det är lätt att bli kemiskt funktionaliserad. Dessutom, den kan odlas i flera antal atomlager i olika staplingsordningar och kan dopas på flera olika sätt. Vari, det ger en mängd alternativ att experimentera med.

Forskarna är övertygade om att medan grafen inte kommer att sätta nya rekordkritiska temperaturer, den lätthet med vilken dess egenskaper kan modifieras kommer att förbättra vår förståelse av supraledning i allmänhet och kolmaterial i synnerhet.