Team finder en potentiel måde at lave grafen superledende på

Forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University har opdaget en potentiel måde at lave grafen – et enkelt lag af kulstofatomer med stort løfte for fremtidig elektronik – til superledende, en tilstand, hvor den ville bære elektricitet med 100 procent effektivitet.

Forskere brugte en stråle af intens ultraviolet lys til at kigge dybt ind i den elektroniske struktur af et materiale lavet af skiftevis lag af grafen og calcium. Selvom det har været kendt i næsten et årti, at dette kombinerede materiale er superledende, den nye undersøgelse tilbyder det første overbevisende bevis på, at grafenlagene er medvirkende til denne proces, en opdagelse, der kunne transformere konstruktionen af ​​materialer til elektroniske nanoskalaenheder.

"Vores arbejde peger på en vej til at gøre grafen superledende - noget det videnskabelige samfund har drømt om i lang tid, men det lykkedes ikke at opnå, " sagde Shuolong Yang, en kandidatstuderende ved Stanford Institute of Materials and Energy Sciences (SIMES), der ledede forskningen ved SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL).

Forskerne så, hvordan elektroner spredes frem og tilbage mellem grafen og calcium, interagerer med naturlige vibrationer i materialets atomare struktur og parrer sig for at lede elektricitet uden modstand. De rapporterede deres fund 20. marts i Nature Communications.

Grafit opfylder calcium

Graphene, et enkelt lag carbonatomer arrangeret i et bikagemønster, er det tyndeste og stærkeste kendte materiale og en stor leder af elektricitet, blandt andre bemærkelsesværdige ejendomme. Forskere håber på i sidste ende at kunne bruge det til at lave meget hurtige transistorer, sensorer og endda gennemsigtige elektroder.

Den klassiske måde at lave grafen på er ved at skrælle atomært tynde ark fra en blok grafit, en form for rent kulstof, der er kendt som blyanten i blyanter. Men forskere kan også isolere disse carbonplader ved kemisk at flette grafit med krystaller af rent calcium. Resultatet, kendt som calcium intercalated graphite eller CaC6, består af skiftevis et-atom-tykke lag af grafen og calcium.

Opdagelsen af, at CaC6 er superledende, satte en bølge af begejstring i gang:Betydde det, at grafen kunne tilføje superledning til sin liste over præstationer? Men i næsten et årti med forsøg, forskere var ikke i stand til at fortælle, om CaC6's superledning kom fra calciumlaget, grafenlaget eller begge dele.

Iagttagelse af superledende elektroner

Til denne undersøgelse, prøver af CaC6 blev lavet på University College London og bragt til SSRL til analyse.

"Det er ekstremt svære eksperimenter, sagde Patrick Kirchmann, en stabsforsker ved SLAC og SIMES. Men prøvens renhed kombineret med den høje kvalitet af den ultraviolette lysstråle tillod dem at se dybt ind i materialet og skelne, hvad elektronerne i hvert lag gjorde, han sagde, afslører detaljer om deres adfærd, der ikke var set før.

"Med denne teknik, vi kan for første gang vise, hvordan elektronerne, der lever på grafenplanerne, faktisk superleder, "sagde SIMES -kandidatstuderende Jonathan Sobota, som udførte eksperimenterne med Yang. "Calciumlaget yder også afgørende bidrag. Endelig tror vi, at vi forstår den superledende mekanisme i dette materiale."

Selvom anvendelser af superledende grafen er spekulative og langt ude i fremtiden, sagde forskerne, de kunne omfatte ultrahøjfrekvente analoge transistorer, nanoskala sensorer og elektromekaniske enheder og kvanteberegningsudstyr.