Hvordan man laver grafen superledende

Når et nyt materiale opdages, forskere er ivrige efter at finde ud af, om det kan være superledende eller ej. Dette gælder især vidundermaterialet grafen. Nu, et internationalt hold omkring forskere ved universitetet i Wien afslørede den superledende parringsmekanisme i Calcium-doteret grafen ved hjælp af ARPES-metoden. Deres resultater er offentliggjort i det velrenommerede tidsskrift Naturkommunikation .

Superledende materialer udviser en uvurderlig egenskab, når de afkøles under en kritisk temperatur - de tillader transport af en elektrisk strøm uden tab. Superledning er baseret på, at i visse materialer kan elektroner danne par, som – ved en højere temperatur – ellers ville frastøde hinanden. Forskere fra Electronic Properties of Materials Group ved Det Fysiske Fakultet (University of Wien) og deres samarbejdspartnere gik sammen for at afdække den potentielle superledende koblingsmekanisme af vidundermaterialet grafen.

grafen, et enkelt-atom tykt lag af kulstofatomer blev opdaget i 2004 og betragtes som et af de mest fantastiske og alsidige stoffer, der er tilgængelige for menneskeheden. Virkningen af ​​det første rigtige todimensionelle materiale er så betydelig, at der blev tildelt en Nobelpris for dets opdagelse. Indtil for nylig, der var ingen eksperimentelle rapporter om superledning i grafen, selvom dets nære slægtninge, grafit og fullerener kan gøres superledende ved bevidst at indføre elektroner i materialet (doping).

ARPES-metoden – hvordan lys kaster lys over superledning

For at kaste lys over superledning i grafen, forskerne tyede til den kraftfulde fotoemissionsmetode:Når en lyspartikel interagerer med et materiale, kan den overføre al sin energi til en elektron inde i det materiale. Hvis lysets energi er tilstrækkelig stor, elektronen får nok energi til at flygte fra materialet. At bestemme vinklen, hvorunder elektronerne undslipper materialet, gør det muligt for forskerne at udtrække værdifuld information om de elektroniske egenskaber og de komplekse mange-legeme-interaktioner af materialet. Nikolay Verbitskiy og Alexander Grüneis fra University of Vienna sammen med Alexander Fedorov og Denis Vyalikh fra IFW-Dresden og TU-Dresden og Danny Haberer fra University of California i Berkeley og deres kolleger anvendte denne teknik - den såkaldte Angle-resolved photoemission spektroskopi (ARPES) - ved Elettra synkrotronen i Trieste, hvor de forskede i interaktionen mellem en række elektrondopanter (Cs, Rb, K, nej, Li, Ca) med monolagsgrafen.

Hvem laver karakteren?

Ifølge forskernes resultater, calcium er den mest lovende kandidat til at inducere superledning i grafen med en kritisk temperatur på omkring 1,5K. Denne kritiske temperatur er ret lav sammenlignet med f.eks. fullerener som superleder ved 33K. Imidlertid, grafen tilbyder flere store fordele i forhold til mange andre materialer. Da det kun består af carbonatomer arrangeret i enkeltlag, det er nemt at blive kemisk funktionaliseret. I øvrigt, det kan dyrkes i flere antal atomlag i forskellige stablingsrækkefølger og kan dopes på flere forskellige måder. Derved, det giver et væld af muligheder at eksperimentere med.

Forskerne er overbeviste om, at mens grafen ikke vil sætte nye rekordkritiske temperaturer, den lethed, hvormed dens egenskaber kan modificeres, vil forbedre vores forståelse af superledning i almindelighed og kulstofmaterialer i særdeleshed.