Forskare vid HZB har hittat bevis för att dubbla lager av grafen har en egenskap som kan låta dem leda ström helt utan motstånd. De undersökte bandstrukturen på BESSY II med extremt högupplöst ARPES och kunde identifiera ett plant område på en överraskande plats. Deras forskning publiceras i Vetenskapens framsteg .

Kolatomer kan bilda bindningar på flera sätt. Rent kol kan därför förekomma i många former, inklusive diamant, grafit, nanorör, fotbollsmolekyler eller som ett bikakenät med sexkantiga maskor, känd som grafen. Detta exotiska, strikt tvådimensionellt material leder elektricitet bra, men är inte en supraledare. Men kanske kan detta ändras.

Ett komplicerat alternativ för supraledning

I april 2018, en grupp vid MIT i USA visade att det är möjligt att generera en form av supraledning i ett system av två lager grafen under mycket specifika förhållanden. Att göra detta, de två sexkantiga näten måste vridas mot varandra i 1,1 graders vinkel. Under detta villkor, ett platt band bildas i den elektroniska strukturen. Förberedelsen av prover från två lager grafen med en sådan exakt justerad vridning är komplex, och inte lämplig för massproduktion. Ändå, studien har väckt stor uppmärksamhet bland experter.

Det enkla sättet att platta band

Men det finns en till, mycket enklare sätt att bilda platt band. Detta visade en grupp vid HZB runt Prof. Oliver Rader och Dr. Andrei Varykhalov med undersökningar vid BESSY II.

Proverna tillhandahölls av prof. Thomas Seyller, TU Chemnitz. Där framställs de med en process som även lämpar sig för produktion av större ytor och i stora mängder:En kiselkarbidkristall värms upp tills kiselatomer avdunstar från ytan, lämnar först ett enda lager grafen på ytan, och sedan ett andra lager grafen. De två grafenskikten är inte vridna mot varandra, men ligger precis ovanpå varandra.

Skanna bandstrukturen med ARPES

På BESSY II, fysikerna kan skanna provets så kallade bandstruktur. Denna bandstruktur ger information om hur laddningsbärarna är fördelade på de kvantmekaniskt tillåtna tillstånden och vilka laddningsbärare som överhuvudtaget finns tillgängliga för transport. Den vinkelupplösta fotoemissionsspektroskopin (ARPES) vid BESSY II möjliggör sådana mätningar med extremt hög upplösning.

Via en exakt analys av bandstrukturen, de identifierade ett område som tidigare hade förbisetts. "Det dubbla lagret av grafen har studerats tidigare eftersom det är en halvledare med ett bandgap, " förklarar Varykhalov. "Men på ARPES-instrumentet vid BESSY II, upplösningen är tillräckligt hög för att känna igen det platta området bredvid detta bandgap."

"Det är en övervakad egenskap hos ett väl studerat system, " säger första författaren Dr. Dmitry Marchenko. "Det var tidigare okänt att det finns ett platt område i bandstrukturen i ett så enkelt välkänt system."

Detta platta område är en förutsättning för supraledning, men bara om den är belägen exakt vid den så kallade Fermi-energin. I fallet med tvåskiktsgrafen, dess energinivå är bara 200 milli-elektronvolt under Fermi-energin, men det är möjligt att höja energinivån i det platta området till Fermi-energin antingen genom att dopa med främmande atomer eller genom att applicera en extern spänning, den så kallade grindspänningen.

Fysikerna har funnit att interaktionerna mellan de två grafenlagren och mellan grafen och kiselkarbidgittret är gemensamt ansvariga för bildandet av det platta bandområdet. "Vi kan förutsäga detta beteende med väldigt få parametrar och kan använda den här mekanismen för att kontrollera bandstrukturen, ", tillägger Oliver Rader.