Ogni volta che viene scoperto un nuovo materiale, gli scienziati sono ansiosi di scoprire se può essere superconduttore o meno. Questo vale in particolare per il materiale meraviglioso grafene. Ora, un team internazionale di ricercatori dell'Università di Vienna ha svelato il meccanismo di accoppiamento superconduttore nel grafene drogato con calcio utilizzando il metodo ARPES. I loro risultati sono pubblicati nella rinomata rivista Comunicazioni sulla natura .

I materiali superconduttori mostrano una caratteristica inestimabile quando vengono raffreddati al di sotto di una temperatura critica:consentono il trasporto di una corrente elettrica senza perdite. La superconduttività si basa sul fatto che in alcuni materiali possono accoppiarsi elettroni che – a temperature più elevate – si respingono a vicenda. Gli scienziati dell'Electronic Properties of Materials Group presso la Facoltà di Fisica (Università di Vienna) e i loro partner di collaborazione si sono uniti per scoprire il potenziale meccanismo di accoppiamento superconduttore del grafene, materiale meraviglioso.

Grafene, uno spesso strato di atomi di carbonio di un singolo atomo è stato scoperto nel 2004 ed è considerato una delle sostanze più sorprendenti e versatili a disposizione dell'umanità. L'impatto del primo vero materiale bidimensionale è così significativo che per la sua scoperta è stato assegnato un premio Nobel. Fino a poco tempo fa, non ci sono state segnalazioni sperimentali di superconduttività nel grafene sebbene i suoi parenti stretti, grafite e fullereni possono essere resi superconduttori introducendo intenzionalmente elettroni nel materiale (drogaggio).

Il metodo ARPES:come la luce fa luce sulla superconduttività

Per far luce sulla superconduttività nel grafene, gli scienziati hanno fatto ricorso al potente metodo della fotoemissione:quando una particella di luce interagisce con un materiale può trasferire tutta la sua energia a un elettrone all'interno di quel materiale. Se l'energia della luce è sufficientemente grande, l'elettrone acquisisce energia sufficiente per sfuggire al materiale. Determinare l'angolo sotto il quale gli elettroni fuoriescono dal materiale consente agli scienziati di estrarre informazioni preziose sulle proprietà elettroniche e sulle complesse interazioni a molti corpi del materiale. Nikolay Verbitskiy e Alexander Grüneis dell'Università di Vienna insieme ad Alexander Fedorov e Denis Vyalikh dell'IFW-Dresden e TU-Dresden e Danny Haberer dell'Università della California a Berkeley e i loro colleghi hanno utilizzato questa tecnica, la cosiddetta fotoemissione risolta dall'angolo spettroscopia (ARPES) – al sincrotrone Elettra di Trieste dove hanno studiato l'interazione di una serie di droganti elettronici (Cs, Rb, K, N / A, Li, Ca) con grafene monostrato.

Chi fa il voto?

Secondo i risultati degli scienziati, il calcio è il candidato più promettente per indurre la superconduttività nel grafene con una temperatura critica di circa 1,5 K. Questa temperatura critica è piuttosto bassa rispetto ad es. fullereni che superconducono a 33K. Però, il grafene offre diversi enormi vantaggi rispetto a molti altri materiali. Poiché consiste solo di atomi di carbonio disposti in singoli strati, è facile da funzionalizzare chimicamente. Inoltre, può essere coltivato in più numeri di strati atomici in vari ordini di impilamento e può essere drogato in diversi modi. In tal modo, offre una moltitudine di opzioni con cui sperimentare.

Gli scienziati sono fiduciosi che, mentre il grafene non stabilirà nuove temperature critiche record, la facilità con cui le sue proprietà possono essere modificate migliorerà la nostra comprensione della superconduttività in generale e dei materiali di carbonio in particolare.