Wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University hebben een mogelijke manier ontdekt om grafeen - een enkele laag koolstofatomen met een grote belofte voor toekomstige elektronica - supergeleidend, een toestand waarin het elektriciteit zou vervoeren met 100 procent efficiëntie.

Onderzoekers gebruikten een straal van intens ultraviolet licht om diep in de elektronische structuur te kijken van een materiaal gemaakt van afwisselende lagen grafeen en calcium. Hoewel het al bijna tien jaar bekend is dat dit gecombineerde materiaal supergeleidend is, de nieuwe studie biedt het eerste overtuigende bewijs dat de grafeenlagen een rol spelen in dit proces, een ontdekking die de engineering van materialen voor elektronische apparaten op nanoschaal zou kunnen transformeren.

"Ons werk wijst op een manier om grafeen supergeleidend te maken - iets waar de wetenschappelijke gemeenschap al heel lang van droomt, maar niet bereikt, " zei Shuolong Yang, een afgestudeerde student aan het Stanford Institute of Materials and Energy Sciences (SIMES) die het onderzoek leidde bij de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) van SLAC.

De onderzoekers zagen hoe elektronen heen en weer verstrooiden tussen grafeen en calcium, interageren met natuurlijke trillingen in de atomaire structuur van het materiaal en koppelen om elektriciteit te geleiden zonder weerstand. Ze rapporteerden hun bevindingen op 20 maart in Nature Communications.

Grafiet ontmoet calcium

grafeen, een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatpatroon, is het dunste en sterkste bekende materiaal en een grote geleider van elektriciteit, onder andere opmerkelijke eigenschappen. Wetenschappers hopen het uiteindelijk te gebruiken om zeer snelle transistors te maken, sensoren en zelfs transparante elektroden.

De klassieke manier om grafeen te maken is door atomair dunne vellen van een blok grafiet te pellen, een vorm van pure koolstof die bekend staat als de stift in potloden. Maar wetenschappers kunnen deze koolstofplaten ook isoleren door grafiet chemisch te verweven met kristallen van puur calcium. Het resultaat, bekend als calcium geïntercaleerd grafiet of CaC6, bestaat uit afwisselend een atoom dikke lagen grafeen en calcium.

De ontdekking dat CaC6 supergeleidend is, veroorzaakte een golf van opwinding:betekende dit dat grafeen supergeleiding aan zijn lijst van prestaties kon toevoegen? Maar in bijna een decennium van proberen, onderzoekers konden niet zeggen of de supergeleiding van CaC6 uit de calciumlaag kwam, de grafeenlaag of beide.

Supergeleidende elektronen observeren

Voor deze studie is monsters van CaC6 werden gemaakt aan het University College London en voor analyse naar SSRL gebracht.

"Dit zijn extreem moeilijke experimenten, " zei Patrick Kirchmann, een stafwetenschapper bij SLAC en SIMES. Maar door de zuiverheid van het monster in combinatie met de hoge kwaliteit van de ultraviolette lichtstraal konden ze diep in het materiaal kijken en onderscheiden wat de elektronen in elke laag aan het doen waren. hij zei, details van hun gedrag onthullen die nog niet eerder waren gezien.

"Met deze techniek we kunnen voor het eerst laten zien hoe de elektronen die op de grafeenvlakken leven eigenlijk supergeleidend zijn, " zei SIMES afgestudeerde student Jonathan Sobota, die de experimenten met Yang uitvoerde. "Ook de calciumlaag levert een cruciale bijdrage. Eindelijk denken we het supergeleidende mechanisme in dit materiaal te begrijpen."

Hoewel toepassingen van supergeleidend grafeen speculatief zijn en ver in de toekomst liggen, zeiden de wetenschappers, ze kunnen analoge transistors met ultrahoge frequentie bevatten, sensoren en elektromechanische apparaten op nanoschaal en apparaten voor kwantumcomputers.