Supraledare är material som kan leda elektricitet med noll motstånd när de kyls under en viss kritisk temperatur. De har tillämpningar inom flera områden, inklusive magnetisk resonanstomografi, partikelacceleratorer, elkraft och kvantberäkning. Deras utbredda användning begränsas dock av behovet av extremt låga temperaturer.
Grafenbaserade material är lovande för supraledare på grund av deras unika egenskaper som optisk transparens, mekanisk styrka och flexibilitet. Grafen är ett enda lager av kol (C) atomer arrangerade i en tvådimensionell bikakestruktur. Bland dessa material, grafen-kalciumföreningen (C6 CaC6 ) uppvisar den högsta kritiska temperaturen. I denna förening införs ett lager av kalcium mellan två grafenlager i en process som kallas interkalering.
Även om detta material redan har höga kritiska temperaturer, har vissa studier visat att kritiska temperaturer och därför supraledning kan förbättras ytterligare genom införandet av högdensitet Ca.
C6 CaC6 framställs genom att odla två lager grafen på ett kiselkarbidsubstrat (SiC) följt av exponering för Ca-atomer, vilket leder till interkalering av Ca mellan lagren. Det har dock förväntats att interkalering med högdensitet Ca kan leda till variationer i den kritiska temperaturen på C6 CaC6 .
Särskilt kan det leda till bildandet av ett metallskikt vid gränsytan mellan det nedre grafenskiktet och SiC, ett fenomen som kallas inneslutningsepitaxi. Detta lager kan avsevärt påverka de elektroniska egenskaperna hos det översta grafenlagret, till exempel ge upphov till en van Hove-singularitet (VHS), som kan förbättra supraledningsförmågan hos C6 CaC6 . Den experimentella valideringen av detta fenomen saknas dock fortfarande.
I en nyligen genomförd studie undersökte ett team av forskare från Japan, ledd av biträdande professor Satoru Ichinokura från institutionen för fysik vid Tokyo Institute of Technology experimentellt effekten av introduktion av högdensitet Ca till C6 CaC6 .
"Vi har experimentellt avslöjat att införandet av högdensitet Ca inducerar betydande interkalering vid gränssnittet som leder till inneslutningsepitaxi av ett Ca-skikt under C6 CaC6 , vilket ger upphov till VHS och förbättrar dess supraledning", säger Ichinokura. Deras studie publicerades online i ACS Nano den 13 maj 2024.
Forskarna förberedde olika prover av C6 CaC6 , med varierande densiteter av Ca, och undersökte deras elektroniska egenskaper. Resultaten avslöjade att det metalliska gränsskiktet som bildas mellan det nedre grafenskiktet och SiC, vid höga Ca-densiteter, verkligen leder till uppkomsten av VHS.
Dessutom jämförde forskarna egenskaperna hos C6 CaC6 strukturer med och utan gränsytan Ca-lagret, vilket avslöjar att bildandet av detta lager leder till en ökning av den kritiska temperaturen genom VHS. De fann vidare att VHS ökar kritiska temperaturer genom två mekanismer.
Den första är en indirekt attraktiv interaktion mellan elektroner och fononer (partiklar förknippade med vibrationer) och den andra är en direkt attraktiv interaktion mellan elektroner och hål (lediga utrymmen som lämnas kvar av rörliga elektroner). Dessa fynd tyder på att genom att introducera högdensitet Ca kan supraledning erhållas vid högre temperaturer, vilket potentiellt breddar användbarheten av C6 CaC6 inom olika områden.
Ichinokura lyfter fram potentiella tillämpningar av detta material, "Grafen-kalciumföreningen, som är ett lågdimensionellt material som består av gemensamma element, kommer att bidra till integreringen och populariseringen av kvantdatorer."
"Med kvantberäkning kommer storskaliga och höghastighetsberäkningar av komplexa system att vara möjliga, vilket möjliggör optimering av energisystem mot kolneutralitet och dramatiskt förbättra effektiviteten av katalysatorutveckling och läkemedelsupptäckt genom direkt simulering av atomära och molekylära reaktioner."
Sammantaget kan de experimentella resultaten av denna studie leda till C6 CaC6 supraledare med förbättrade egenskaper och bred tillämpbarhet i kritiska områden.
Mer information: Satoru Ichinokura et al, Van Hove Singularity and Enhanced Superconductivity in Ca-Intercalated Bilayer Graphene induced by Confinement Epitaxy, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.4c01757
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology
