Telkens als er een nieuw materiaal wordt ontdekt, wetenschappers staan ​​te popelen om erachter te komen of het wel of niet supergeleidend kan zijn. Dit geldt met name voor het wondermateriaal grafeen. Nutsvoorzieningen, een internationaal team rond onderzoekers van de Universiteit van Wenen onthulde het supergeleidende koppelingsmechanisme in met calcium gedoteerd grafeen met behulp van de ARPES-methode. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Natuurcommunicatie .

Supergeleidende materialen vertonen een eigenschap van onschatbare waarde wanneer ze onder een kritische temperatuur worden gekoeld - ze maken het transport van elektrische stroom zonder verlies mogelijk. Supergeleiding is gebaseerd op het feit dat in bepaalde materialen elektronen kunnen paren die - bij een hogere temperatuur - elkaar anders zouden afstoten. Wetenschappers van de Electronic Properties of Materials Group van de Faculteit der Natuurkunde (Universiteit van Wenen) en hun samenwerkingspartners werkten samen om het potentiële supergeleidende koppelingsmechanisme van het wondermateriaal grafeen te ontdekken.

grafeen, een laag koolstofatomen met een dikte van één atoom werd in 2004 ontdekt en wordt beschouwd als een van de meest verbazingwekkende en veelzijdige stoffen die de mensheid ter beschikking staan. De impact van het eerste echte tweedimensionale materiaal is zo groot dat er een Nobelprijs voor werd toegekend voor de ontdekking ervan. Tot voor kort, er waren geen experimentele rapporten van supergeleiding in grafeen, hoewel zijn naaste verwanten, grafiet en fullerenen kunnen supergeleidend worden gemaakt door opzettelijk elektronen in het materiaal te brengen (doping).

De ARPES-methode – hoe licht licht werpt op supergeleiding

Om licht te werpen op supergeleiding in grafeen, de wetenschappers namen hun toevlucht tot de krachtige foto-emissiemethode:wanneer een lichtdeeltje interageert met een materiaal, kan het al zijn energie overbrengen naar een elektron in dat materiaal. Als de energie van het licht groot genoeg is, het elektron krijgt genoeg energie om uit het materiaal te ontsnappen. Door de hoek te bepalen waaronder de elektronen uit het materiaal ontsnappen, kunnen de wetenschappers waardevolle informatie extraheren over de elektronische eigenschappen en de complexe veellichameninteracties van het materiaal. Nikolay Verbitskiy en Alexander Grüneis van de Universiteit van Wenen samen met Alexander Fedorov en Denis Vyalikh van IFW-Dresden en TU-Dresden en Danny Haberer van de University of California in Berkeley en hun collega's gebruikten deze techniek - de zogenaamde Angle-resolved photoemission spectroscopie (ARPES) – bij de Elettra-synchrotron in Triëst, waar ze de interactie van een reeks elektronendoteringsmiddelen (Cs, Rb, K, nee, Li, Ca) met monolaag grafeen.

Wie haalt het cijfer?

Volgens de bevindingen van de wetenschappers, calcium is de meest veelbelovende kandidaat om supergeleiding te induceren in grafeen met een kritische temperatuur van ongeveer 1,5 K. Deze kritische temperatuur is vrij laag vergeleken met b.v. fullerenen die supergeleiden bij 33K. Echter, grafeen biedt verschillende enorme voordelen ten opzichte van veel andere materialen. Omdat het alleen uit koolstofatomen bestaat die in enkele lagen zijn gerangschikt, het is gemakkelijk om chemisch te worden gefunctionaliseerd. Bovendien, het kan worden gekweekt in meerdere aantallen atoomlagen in verschillende stapelvolgorden en kan op verschillende manieren worden gedoteerd. Daarbij, het geeft een veelvoud aan opties om mee te experimenteren.

De wetenschappers zijn ervan overtuigd dat terwijl grafeen geen nieuwe recordkritische temperaturen zal instellen, het gemak waarmee de eigenschappen ervan kunnen worden gewijzigd, zal ons begrip van supergeleiding in het algemeen en koolstofmaterialen in het bijzonder vergroten.