Studie onderzoekt het verbeteren van de supergeleiding van grafeen-calcium-supergeleiders

Supergeleiders zijn materialen die elektriciteit zonder weerstand kunnen geleiden wanneer ze worden afgekoeld tot onder een bepaalde kritische temperatuur. Ze hebben toepassingen op verschillende gebieden, waaronder magnetische resonantiebeeldvorming, deeltjesversnellers, elektrische energie en kwantumcomputers. Het wijdverbreide gebruik ervan wordt echter beperkt door de noodzaak van extreem lage temperaturen.

Op grafeen gebaseerde materialen zijn veelbelovend voor supergeleiders vanwege hun unieke eigenschappen zoals optische transparantie, mechanische sterkte en flexibiliteit. Grafeen is een enkele laag koolstofatomen (C) gerangschikt in een tweedimensionale honingraatstructuur. Van deze materialen is de grafeen-calciumverbinding (C₆CaC₆) vertoont de hoogste kritische temperatuur. In deze verbinding wordt een laag calcium geïntroduceerd tussen twee grafeenlagen in een proces dat intercalatie wordt genoemd.

Hoewel dit materiaal al hoge kritische temperaturen heeft, hebben sommige onderzoeken aangetoond dat kritische temperaturen en dus de supergeleiding verder kunnen worden verbeterd door de introductie van Ca met hoge dichtheid.

C₆CaC₆ wordt bereid door twee lagen grafeen te laten groeien op een substraat van siliciumcarbide (SiC), gevolgd door blootstelling aan Ca-atomen, wat leidt tot intercalatie van Ca tussen de lagen. Er werd echter verwacht dat intercalatie met Ca met hoge dichtheid kan leiden tot variaties in de kritische temperatuur van C₆CaC₆.

In het bijzonder kan het leiden tot de vorming van een metaallaag op het grensvlak van de onderste grafeenlaag en SiC, een fenomeen dat opsluitingepitaxie wordt genoemd. Deze laag kan de elektronische eigenschappen van de bovenste grafeenlaag aanzienlijk beïnvloeden, zoals het ontstaan ​​van een Van Hove-singulariteit (VHS), die de supergeleiding van C kan verbeteren.₆CaC₆. De experimentele validatie van dit fenomeen ontbreekt echter nog steeds.

In een recente studie heeft een team van onderzoekers uit Japan, onder leiding van assistent-professor Satoru Ichinokura van de afdeling Natuurkunde van het Tokyo Institute of Technology, experimenteel de impact onderzocht van Ca-introductie met hoge dichtheid in C₆CaC₆.

“We hebben experimenteel onthuld dat de introductie van Ca met hoge dichtheid significante intercalatie op het grensvlak induceert, wat leidt tot de opsluiting van een Ca-laag onder C₆CaC₆wat aanleiding geeft tot VHS en de supergeleiding ervan verbetert”, zegt Ichinokura gepubliceerd online-in ACS Nano op 13 mei 2024.

De onderzoekers bereidden verschillende monsters van C₆CaC₆, met verschillende dichtheden van Ca, en onderzochten hun elektronische eigenschappen. De resultaten onthulden dat de grensvlakmetaallaag gevormd tussen de onderste grafeenlaag en SiC, bij hoge Ca-dichtheden, inderdaad leidt tot de opkomst van VHS.

Bovendien vergeleken de onderzoekers ook de eigenschappen van C₆CaC₆ structuren met en zonder de grensvlak Ca-laag, waaruit blijkt dat de vorming van deze laag leidt tot een verhoging van de kritische temperatuur via de VHS. Ze ontdekten verder dat VHS de kritische temperaturen verhoogt via twee mechanismen.

De eerste is een indirecte aantrekkelijke interactie tussen elektronen en fononen (deeltjes geassocieerd met trillingen) en de tweede is een directe aantrekkelijke interactie tussen elektronen en gaten (lege ruimtes achtergelaten door bewegende elektronen). Deze bevindingen suggereren dat door de introductie van Ca met hoge dichtheid supergeleiding kan worden verkregen bij hogere temperaturen, waardoor de toepasbaarheid van C mogelijk wordt vergroot.₆CaC₆ op diverse terreinen.

Ichinokura benadrukt mogelijke toepassingen van dit materiaal en merkt op: “De grafeen-calciumverbinding, die een laagdimensionaal materiaal is dat uit gemeenschappelijke elementen bestaat, zal bijdragen aan de integratie en popularisering van kwantumcomputers.

“Met quantum computing zullen grootschalige en snelle berekeningen van complexe systemen mogelijk zijn, waardoor de optimalisatie van energiesystemen richting koolstofneutraliteit mogelijk wordt en de efficiëntie van de ontwikkeling van katalysatoren en de ontdekking van geneesmiddelen dramatisch wordt verbeterd door directe simulatie van atomaire en moleculaire reacties.”

Over het geheel genomen kunnen de experimentele bevindingen van dit onderzoek ertoe leiden dat C₆CaC₆ supergeleiders met verbeterde eigenschappen en brede toepasbaarheid op kritische gebieden.