Forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University har upptäckt ett potentiellt sätt att göra grafen – ett enda lager av kolatomer med stort lovande för framtida elektronik – supraledande, ett tillstånd där det skulle transportera el med 100 procent effektivitet.

Forskare använde en stråle av intensivt ultraviolett ljus för att titta djupt in i den elektroniska strukturen hos ett material gjord av omväxlande lager av grafen och kalcium. Även om det har varit känt i nästan ett decennium att detta kombinerade material är supraledande, den nya studien ger det första övertygande beviset på att grafenlagren är instrumentella i denna process, en upptäckt som kan förändra konstruktionen av material för elektroniska enheter i nanoskala.

"Vårt arbete pekar på en väg för att göra grafen supraledande - något som forskarvärlden har drömt om länge, men lyckades inte uppnå, sa Shuolong Yang, en doktorand vid Stanford Institute of Materials and Energy Sciences (SIMES) som ledde forskningen vid SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL).

Forskarna såg hur elektroner sprider sig fram och tillbaka mellan grafen och kalcium, interagerar med naturliga vibrationer i materialets atomstruktur och kopplar ihop sig för att leda elektricitet utan motstånd. De rapporterade sina resultat den 20 mars i Nature Communications.

Grafit möter kalcium

grafen, ett enda lager av kolatomer arrangerade i ett bikakemönster, är det tunnaste och starkaste kända materialet och en stor ledare av elektricitet, bland andra märkliga egenskaper. Forskare hoppas att till slut använda den för att göra mycket snabba transistorer, sensorer och till och med genomskinliga elektroder.

Det klassiska sättet att göra grafen är genom att skala atomärt tunna ark från ett grafitblock, en form av rent kol som är bekant som bly i pennor. Men forskare kan också isolera dessa kolark genom att kemiskt väva grafit med kristaller av rent kalcium. Resultatet, känd som kalciuminterkalerad grafit eller CaC6, består av omväxlande en atomtjocka lager av grafen och kalcium.

Upptäckten att CaC6 är supraledande utlöste en våg av spänning:Betydde detta att grafen skulle kunna lägga till supraledning i listan över prestationer? Men under nästan ett decennium av försök, forskare kunde inte säga om CaC6:s supraledning kom från kalciumskiktet, grafenskiktet eller båda.

Observera supraledande elektroner

För denna studie, prover av CaC6 gjordes vid University College London och fördes till SSRL för analys.

"Det här är extremt svåra experiment, sade Patrick Kirchmann, en stabsforskare vid SLAC och SIMES. Men provets renhet i kombination med den höga kvaliteten på den ultravioletta ljusstrålen gjorde att de kunde se djupt in i materialet och skilja vad elektronerna i varje lager gjorde, han sa, avslöjar detaljer om deras beteende som inte hade setts tidigare.

"Med denna teknik, vi kan för första gången visa hur elektronerna som lever på grafenplanen faktiskt superledande, " sa SIMES doktorand Jonathan Sobota, som utförde experimenten med Yang. "Kalciumlagret ger också avgörande bidrag. Slutligen tror vi att vi förstår den supraledande mekanismen i detta material."

Även om tillämpningar av supraledande grafen är spekulativa och långt fram i tiden, forskarna sa, de kan inkludera ultrahögfrekventa analoga transistorer, nanoskala sensorer och elektromekaniska enheter och kvantberäkningsenheter.