Gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e della Stanford University hanno scoperto un modo potenziale per rendere il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio con grandi promesse per l'elettronica futura, superconduttore, uno stato in cui trasporterebbe elettricità con un'efficienza del 100%.

I ricercatori hanno utilizzato un raggio di intensa luce ultravioletta per esaminare in profondità la struttura elettronica di un materiale costituito da strati alternati di grafene e calcio. Sebbene sia noto da quasi un decennio che questo materiale combinato è superconduttore, il nuovo studio offre la prima prova convincente che gli strati di grafene sono strumentali in questo processo, una scoperta che potrebbe trasformare l'ingegneria dei materiali per dispositivi elettronici su scala nanometrica.

"Il nostro lavoro indica un percorso per rendere superconduttore il grafene, qualcosa che la comunità scientifica ha sognato a lungo, ma non è riuscito a raggiungere, " disse Shuolong Yang, uno studente laureato presso lo Stanford Institute of Materials and Energy Sciences (SIMES) che ha guidato la ricerca presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) di SLAC.

I ricercatori hanno visto come gli elettroni si disperdono avanti e indietro tra grafene e calcio, interagiscono con le vibrazioni naturali nella struttura atomica del materiale e si accoppiano per condurre elettricità senza resistenza. Hanno riportato i loro risultati il ​​20 marzo su Nature Communications.

La grafite incontra il calcio

Grafene, un singolo strato di atomi di carbonio disposti a nido d'ape, è il materiale più sottile e resistente conosciuto e un ottimo conduttore di elettricità, tra le altre notevoli proprietà. Gli scienziati sperano di usarlo alla fine per realizzare transistor molto veloci, sensori e persino elettrodi trasparenti.

Il modo classico per fare il grafene è staccare fogli atomicamente sottili da un blocco di grafite, una forma di puro carbonio che è familiare come la mina delle matite. Ma gli scienziati possono anche isolare questi fogli di carbonio intrecciando chimicamente la grafite con cristalli di calcio puro. Il risultato, nota come grafite intercalata di calcio o CaC6, consiste in strati alternati di grafene e calcio dello spessore di un atomo.

La scoperta che il CaC6 è superconduttore ha scatenato un'ondata di eccitazione:questo significava che il grafene poteva aggiungere la superconduttività alla sua lista di risultati? Ma in quasi un decennio di tentativi, i ricercatori non sono stati in grado di dire se la superconduttività di CaC6 provenisse dallo strato di calcio, lo strato di grafene o entrambi.

Osservazione degli elettroni superconduttori

Per questo studio, campioni di CaC6 sono stati realizzati presso l'University College di Londra e portati a SSRL per l'analisi.

"Questi sono esperimenti estremamente difficili, " ha detto Patrick Kirchmann, uno scienziato del personale presso SLAC e SIMES. Ma la purezza del campione combinata con l'alta qualità del raggio di luce ultravioletta ha permesso loro di vedere in profondità nel materiale e distinguere cosa stavano facendo gli elettroni in ogni strato, Egli ha detto, rivelando dettagli del loro comportamento che non erano stati visti prima.

"Con questa tecnica, possiamo mostrare per la prima volta come gli elettroni che vivono sui piani del grafene siano effettivamente superconduttori, ", ha affermato lo studente laureato SIMES Jonathan Sobota, che ha condotto gli esperimenti con Yang. "Anche lo strato di calcio fornisce contributi cruciali. Finalmente pensiamo di aver compreso il meccanismo superconduttore in questo materiale".

Sebbene le applicazioni del grafene superconduttore siano speculative e lontane nel futuro, gli scienziati hanno detto, potrebbero includere transistor analogici ad altissima frequenza, sensori su scala nanometrica e dispositivi elettromeccanici e dispositivi di calcolo quantistico.