Grafen bliver superledende - Elektroner uden massestrøm uden modstand

Grafen er en enkeltatomisk kulstofplade med et sekskantet bikagenetværk (fig. 1). Elektroner i grafen tager en særlig elektronisk tilstand kaldet Dirac-kegle, hvor de opfører sig, som om de ikke har nogen masse. Dette giver dem mulighed for at flyde med meget høj hastighed, giver grafen et meget højt niveau af elektrisk ledningsevne.

Dette er vigtigt, fordi elektroner uden masse, der flyder uden modstand i grafen, kan føre til realiseringen af ​​en i sidste ende højhastigheds nano elektronisk enhed.

Det samarbejdende team fra Tohoku University og University of Tokyo har udviklet en metode til at dyrke grafen af ​​høj kvalitet på en siliciumcarbid (SiC) krystal ved at kontrollere antallet af grafenplader. Holdet fremstillede tolagsgrafen med denne metode og indsatte derefter calcium (Ca) atomer mellem de to grafenlag som en sandwich (fig. 1).

De målte den elektriske ledningsevne med mikro-firepunkts-probemetoden og fandt ud af, at den elektriske resistivitet hurtigt falder ved omkring 4 K (-269 °C), tegn på en fremkomst af superledning (fig. 2).

Holdet fandt også ud af, at hverken ægte tolagsgrafen eller lithium-interkaleret tolagsgrafen viser superledning, hvilket indikerer, at superledningsevnen er drevet af elektronoverførslen fra Ca-atomer til grafenplader.

Succesen med at fremstille superledende grafen forventes at have stor indflydelse på både den grundlæggende og anvendte forskning i grafen.

Det er i øjeblikket ikke klart, hvilket fænomen der finder sted, når Dirac-elektronerne uden masse bliver superledende uden modstand. Men baseret på de seneste undersøgelsesresultater, yderligere eksperimentelle og teoretiske undersøgelser ville hjælpe med at optrevle egenskaberne af superledende grafen.

Den superledende overgangstemperatur (Tc) observeret i denne undersøgelse på Ca-interkaleret dobbeltlagsgrafen er stadig lav (4 K). Dette giver anledning til yderligere undersøgelser af måder at øge Tc, for eksempel, ved at erstatte Ca med andre metaller og legeringer, eller ændring af antallet af grafenark.

Fra et applikationssynspunkt, de seneste resultater baner vejen for den videre udvikling af superledende nanoenheder med ultrahøj hastighed, såsom en kvantecomputerenhed, som anvender superledende grafen i sit integrerede kredsløb.