Grafen på vej mod superledning

Forskere ved HZB har fundet beviser for, at dobbeltlag af grafen har en egenskab, der kan lade dem lede strøm helt uden modstand. De undersøgte båndstrukturen på BESSY II med ekstrem høj opløsning ARPES og kunne identificere et fladt område på en overraskende placering. Deres forskning er publiceret i Videnskabens fremskridt .

Kulstofatomer kan danne bindinger på flere måder. Rent kulstof kan derfor forekomme i mange former, inklusive diamant, grafit, nanorør, fodboldmolekyler eller som et bikagenet med sekskantede masker, kendt som grafen. Denne eksotiske, strengt todimensionelt materiale leder elektricitet godt, men er ikke en superleder. Men måske kan dette ændres.

En kompliceret mulighed for superledning

I april 2018, en gruppe ved MIT i USA viste, at det er muligt at generere en form for superledning i et system af to lag grafen under meget specifikke forhold. At gøre dette, de to sekskantede net skal snoes mod hinanden i en vinkel på 1,1 grader. Under denne betingelse, der dannes et fladt bånd i den elektroniske struktur. Forberedelsen af ​​prøver fra to lag grafen med en sådan nøjagtigt justeret drejning er kompleks, og ikke egnet til masseproduktion. Alligevel, undersøgelsen har tiltrukket sig stor opmærksomhed blandt eksperter.

Den enkle måde at flade bånd

Men der er en mere, meget enklere måde at danne fladbånd på. Dette viste en gruppe på HZB omkring Prof. Oliver Rader og Dr. Andrei Varykhalov med undersøgelser på BESSY II.

Prøverne blev leveret af prof. Thomas Seyller, TU Chemnitz. Der fremstilles de ved hjælp af en proces, der også er velegnet til produktion af større arealer og i store mængder:En siliciumcarbidkrystal opvarmes, indtil siliciumatomer fordamper fra overfladen, efterlader først et enkelt lag grafen på overfladen, og derefter et andet lag grafen. De to grafenlag er ikke snoet mod hinanden, men ligger præcis oven på hinanden.

Scanning af båndstrukturen med ARPES

På BESSY II, fysikerne er i stand til at scanne prøvens såkaldte båndstruktur. Denne båndstruktur giver information om, hvordan ladningsbærerne fordeler sig blandt de kvantemekanisk tilladte tilstande, og hvilke ladningsbærere der overhovedet er tilgængelige til transport. Den vinkelopløste fotoemissionsspektroskopi (ARPES) ved BESSY II muliggør sådanne målinger med ekstrem høj opløsning.

Via en nøjagtig analyse af båndstrukturen, de identificerede et område, der tidligere var blevet overset. "Det dobbelte lag af grafen er blevet undersøgt før, fordi det er en halvleder med et båndgab, " forklarer Varykhalov. "Men på ARPES-instrumentet på BESSY II, opløsningen er høj nok til at genkende det flade område ved siden af ​​dette båndgab."

"Det er en overvåget egenskab ved et velundersøgt system, " siger førsteforfatter Dr. Dmitry Marchenko. "Det var tidligere ukendt, at der er et fladt område i bandstrukturen i et så simpelt velkendt system."

Dette flade område er en forudsætning for superledning, men kun hvis den er placeret præcis ved den såkaldte Fermi-energi. I tilfældet med to-lags grafen, dens energiniveau er kun 200 milli-elektronvolt under Fermi-energien, men det er muligt at hæve energiniveauet i det flade område til Fermi-energien enten ved at dope med fremmede atomer eller ved at påføre en ekstern spænding, den såkaldte gate-spænding.

Fysikerne har fundet ud af, at vekselvirkningerne mellem de to grafenlag og mellem grafen og siliciumcarbidgitteret i fællesskab er ansvarlige for dannelsen af ​​det flade båndområde. "Vi kan forudsige denne adfærd med meget få parametre og kunne bruge denne mekanisme til at kontrollere båndstrukturen, " tilføjer Oliver Rader.