Undersøgelse undersøger forbedring af superledningsevne af grafen-calcium superledere

Superledere er materialer, der kan lede elektricitet med nul modstand, når de afkøles under en vis kritisk temperatur. De har applikationer inden for flere områder, herunder magnetisk resonansbilleddannelse, partikelacceleratorer, elektrisk kraft og kvanteberegning. Deres udbredte anvendelse er dog begrænset af behovet for ekstremt lave temperaturer.

Grafenbaserede materialer er lovende for superledere på grund af deres unikke egenskaber såsom optisk gennemsigtighed, mekanisk styrke og fleksibilitet. Grafen er et enkelt lag af kulstof (C) atomer arrangeret i en todimensionel bikagestruktur. Blandt disse materialer er grafen-calciumforbindelsen (C₆ CaC₆ ) udviser den højeste kritiske temperatur. I denne forbindelse indføres et lag af calcium mellem to grafenlag i en proces kaldet interkalering.

Selvom dette materiale allerede har høje kritiske temperaturer, har nogle undersøgelser vist, at kritiske temperaturer og derfor superledningsevne kan forbedres yderligere gennem introduktionen af ​​højdensitet Ca.

C₆ CaC₆ fremstilles ved at dyrke to lag grafen på et siliciumcarbid (SiC) substrat efterfulgt af eksponering for Ca-atomer, hvilket fører til interkalation af Ca mellem lagene. Det har dog været forventet, at interkalation med højdensitet Ca kan føre til variationer i den kritiske temperatur på C₆ CaC₆ .

Især kan det føre til dannelsen af ​​et metallisk lag ved grænsefladen mellem det nederste grafenlag og SiC, et fænomen kaldet indeslutningsepitaksi. Dette lag kan i væsentlig grad påvirke de elektroniske egenskaber af det øverste grafenlag, såsom at give anledning til en van Hove-singularitet (VHS), som kan øge superledningsevnen af ​​C₆ CaC₆ . Den eksperimentelle validering af dette fænomen mangler dog stadig.

I en nylig undersøgelse undersøgte et team af forskere fra Japan, ledet af adjunkt Satoru Ichinokura fra Institut for Fysik ved Tokyo Institute of Technology eksperimentelt virkningen af ​​introduktion af højdensitet Ca til C₆ CaC₆ .

"Vi har eksperimentelt afsløret, at introduktionen af ​​højdensitet Ca inducerer betydelig interkalation ved grænsefladen, der fører til indeslutningsepitaksen af ​​et Ca-lag under C₆ CaC₆ , som giver anledning til VHS og forbedrer dets superledningsevne," siger Ichinokura. Deres undersøgelse blev offentliggjort online i ACS Nano den 13. maj 2024.

Forskerne forberedte forskellige prøver af C₆ CaC₆ , med varierende tætheder af Ca, og undersøgte deres elektroniske egenskaber. Resultaterne afslørede, at det metalliske grænsefladelag, der dannes mellem det nederste grafenlag og SiC, ved høje Ca-densiteter, faktisk fører til fremkomsten af ​​VHS.

Desuden sammenlignede forskerne også egenskaberne af C₆ CaC₆ strukturer med og uden grænseflade Ca-laget, hvilket afslører, at dannelsen af ​​dette lag fører til en stigning i den kritiske temperatur gennem VHS. De fandt endvidere ud af, at VHS øger kritiske temperaturer gennem to mekanismer.

Den første er en indirekte attraktiv interaktion mellem elektroner og fononer (partikler forbundet med vibrationer), og den anden er en direkte attraktiv interaktion mellem elektroner og huller (ledige rum efterladt af bevægelige elektroner). Disse resultater tyder på, at ved at introducere højdensitet Ca, kan superledning opnås ved højere temperaturer, hvilket potentielt udvider anvendeligheden af ​​C₆ CaC₆ på forskellige områder.

Ichinokura fremhæver potentielle anvendelser af dette materiale og bemærker:"Grafen-calciumforbindelsen, som er et lavdimensionelt materiale sammensat af fælles elementer, vil bidrage til integrationen og populariseringen af ​​kvantecomputere.

"Med kvanteberegning vil storskala- og højhastighedsberegninger af komplekse systemer være mulige, hvilket muliggør optimering af energisystemer mod kulstofneutralitet og dramatisk forbedring af effektiviteten af ​​katalysatorudvikling og lægemiddelopdagelse gennem direkte simulering af atomare og molekylære reaktioner."

Samlet set kunne de eksperimentelle resultater af denne undersøgelse føre til C₆ CaC₆ superledere med forbedrede egenskaber og bred anvendelighed i kritiske områder.

Flere oplysninger: 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

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af Tokyo Institute of Technology