Fig. 1. Struttura cristallina del grafene a doppio strato intercalato di Ca fabbricato su substrato di SiC. L'inserimento di atomi di Ca tra due strati di grafene provoca la superconduttività.
Il grafene è un foglio di carbonio uniatomico con una rete esagonale a nido d'ape (Fig. 1). Gli elettroni nel grafene assumono uno stato elettronico speciale chiamato cono di Dirac in cui si comportano come se non avessero massa. Ciò consente loro di fluire a velocità molto elevate, conferendo al grafene un livello molto elevato di conduttività elettrica.
Ciò è significativo perché gli elettroni senza flusso di massa senza resistenza nel grafene potrebbero portare alla realizzazione di un dispositivo nano elettronico ad alta velocità.
Il team collaborativo dell'Università di Tohoku e dell'Università di Tokyo ha sviluppato un metodo per coltivare grafene di alta qualità su un cristallo di carburo di silicio (SiC) controllando il numero di fogli di grafene. Il team ha fabbricato grafene a doppio strato con questo metodo e poi ha inserito atomi di calcio (Ca) tra i due strati di grafene come un sandwich (Fig. 1).
Hanno misurato la conduttività elettrica con il metodo della micro sonda a quattro punti e hanno scoperto che la resistività elettrica scende rapidamente a circa 4 K (-269 ° C), indicativo di un emergere di superconduttività (Fig. 2).
Il team ha anche scoperto che né il vero grafene a doppio strato né il grafene a doppio strato intercalato con litio mostrano superconduttività, indicando che la superconduttività è guidata dal trasferimento di elettroni dagli atomi di Ca ai fogli di grafene.
Si prevede che il successo nella fabbricazione del grafene superconduttore avrà un grande impatto sia sulla ricerca di base che su quella applicata.
Fig.2 Dipendenza dalla temperatura della resistività elettrica del grafene a doppio strato intercalato di calcio, misurato con il metodo della microsonda a quattro punti (inserto). La resistività mostra una rapida diminuzione intorno a 4 K e raggiunge lo "zero" a 2 K, mostrando l'emergere della superconduttività.
Attualmente non è chiaro quale fenomeno avvenga quando gli elettroni di Dirac senza massa diventano superconduttori senza resistenza. Ma sulla base degli ultimi risultati dello studio, ulteriori indagini sperimentali e teoriche aiuterebbero a svelare le proprietà del grafene superconduttore.
La temperatura di transizione superconduttiva (Tc) osservata in questo studio sul grafene a doppio strato intercalato di Ca è ancora bassa (4 K). Ciò richiede ulteriori studi sui modi per aumentare Tc, Per esempio, sostituendo il Ca con altri metalli e leghe, o cambiando il numero di fogli di grafene.
Dal punto di vista applicativo, gli ultimi risultati aprono la strada all'ulteriore sviluppo di nanodispositivi superconduttori ad altissima velocità come un dispositivo di calcolo quantistico, che utilizza il grafene superconduttore nel suo circuito integrato.
