Supraledare är material som kan leda elektricitet med noll motstånd när de kyls under en viss kritisk temperatur. De har tillämpningar inom flera områden, bland annat magnetisk resonanstomografi, partikelacceleratorer, elkraft och kvantdatorer. Deras utbredda användning begränsas dock av behovet av extremt låga temperaturer.
Grafenbaserade material är lovande för supraledare på grund av sina unika egenskaper som optisk transparens, mekanisk styrka och flexibilitet. Grafen är ett enda lager av kolatomer (C) som är ordnade i en tvådimensionell bikakestruktur. Bland dessa material uppvisar grafen-kalcium-föreningen (C6CaC6) den högsta kritiska temperaturen. I denna förening införs ett lager kalcium mellan två grafenlager i en process som kallas interkalering.
Även om detta material redan har höga kritiska temperaturer har vissa studier visat att de kritiska temperaturerna och därmed supraledningsförmågan kan förbättras ytterligare genom att införa Ca med hög densitet.
C6CaC6 framställs genom att två lager grafen växer på ett kiselkarbidsubstrat (SiC) och därefter exponeras för Ca-atomer, vilket leder till interkalering av Ca mellan lagren. Man har dock förväntat sig att interkalering med Ca med hög densitet kan leda till variationer i den kritiska temperaturen för C6CaC6.
Framför allt kan det leda till att ett metalliskt skikt bildas vid gränssnittet mellan det undre grafenskiktet och SiC, ett fenomen som kallas confinement epitaxy. Detta skikt kan avsevärt påverka de elektroniska egenskaperna hos det översta grafenskiktet, till exempel genom att ge upphov till en van Hove-singularitet (VHS), vilket kan förbättra supraledningsförmågan hos C6CaC6. Den experimentella valideringen av detta fenomen saknas dock fortfarande.
I en ny studie har ett forskarlag från Japan, under ledning av Assistant Professor Satoru Ichinokura från Department of Physics vid Tokyo Institute of Technology, experimentellt undersökt effekten av att tillföra Ca med hög densitet till C6CaC6.
”Vi har experimentellt visat att införandet av Ca med hög densitet leder till en betydande interkalering vid gränssnittet, vilket leder till en epitaxi av ett Ca-lager under C6CaC6, som ger upphov till VHS och förbättrar dess supraledning”, säger Ichinokura. Deras studie publicerades online i ACS Nano den 13 maj 2024.
Forskarna framställde olika prover av C6CaC6, med varierande täthet av Ca, och undersökte deras elektroniska egenskaper. Resultaten visade att det metalliska gränsskikt som bildas mellan det nedre grafenskiktet och SiC, vid höga Ca-densiteter, verkligen leder till uppkomsten av VHS.
Forskarna jämförde också egenskaperna hos C6CaC6-strukturer med och utan Ca-skiktet i gränsytan och kunde konstatera att bildandet av detta skikt leder till en ökning av den kritiska temperaturen genom VHS. De fann vidare att VHS ökar de kritiska temperaturerna genom två mekanismer.
Den första är en indirekt attraherande interaktion mellan elektroner och fononer (partiklar som associeras med vibrationer) och den andra är en direkt attraherande interaktion mellan elektroner och hål (lediga utrymmen som lämnas kvar av elektroner i rörelse). Dessa resultat tyder på att genom att införa Ca med hög densitet kan supraledning uppnås vid högre temperaturer, vilket potentiellt breddar tillämpbarheten för C6CaC6 inom olika områden.
Ichinokura lyfter fram de potentiella tillämpningarna av detta material och säger: ”Grafen-kalcium-föreningen, som är ett lågdimensionellt material som består av vanliga element, kommer att bidra till integrationen och populariseringen av kvantdatorer.
”Med kvantdatorer blir det möjligt att göra storskaliga och snabba beräkningar av komplexa system, vilket möjliggör optimering av energisystem mot koldioxidneutralitet och dramatiskt förbättrar effektiviteten i katalysatorutvecklingen och läkemedelsupptäckten genom direkt simulering av atomära och molekylära reaktioner.”
Sammantaget kan de experimentella resultaten av denna studie leda till C6CaC6-supraledare med förbättrade egenskaper och bred tillämpning inom kritiska områden.
Ytterligare information: 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
