Wetenschap
Studie onderzoekt het verbeteren van de supergeleiding van grafeen-calcium-supergeleiders
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 (C6 CaC6 ) vertoont de hoogste kritische temperatuur. In deze verbinding wordt een laag calcium tussen twee grafeenlagen geïntroduceerd 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.
C6 CaC6 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 wordt echter verwacht dat intercalatie met Ca met hoge dichtheid kan leiden tot variaties in de kritische temperatuur van C6 CaC6 .
In het bijzonder kan dit 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, waardoor bijvoorbeeld een van Hove-singulariteit (VHS) ontstaat, die de supergeleiding van C6 kan verbeteren. CaC6 . De experimentele validatie van dit fenomeen ontbreekt echter nog steeds.
In een recent onderzoek 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 C6 CaC6 .
"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 C6 CaC6 , dat aanleiding geeft tot VHS en de supergeleiding ervan verbetert", zegt Ichinokura. Hun onderzoek werd online gepubliceerd in ACS Nano op 13 mei 2024.
De onderzoekers maakten verschillende monsters van C6 CaC6 , met verschillende dichtheden van Ca, en onderzochten hun elektronische eigenschappen. Uit de resultaten bleek dat de metalen grenslaag 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 C6 CaC6 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 C6 mogelijk wordt vergroot. CaC6 op verschillende gebieden.
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 zouden de experimentele bevindingen van dit onderzoek kunnen leiden tot C6 CaC6 supergeleiders met verbeterde eigenschappen en brede toepasbaarheid op kritische gebieden.