Gli scienziati di HZB hanno trovato prove che i doppi strati di grafene hanno una proprietà che può consentire loro di condurre la corrente completamente senza resistenza. Hanno sondato la struttura della banda a BESSY II con ARPES ad altissima risoluzione e sono riusciti a identificare un'area piatta in una posizione sorprendente. La loro ricerca è pubblicata in Progressi scientifici .

Gli atomi di carbonio possono formare legami in diversi modi. Il carbonio puro può quindi presentarsi in molte forme, compreso il diamante, grafite, nanotubi, molecole di calcio o come rete a nido d'ape con maglie esagonali, noto come grafene. Questo esotico, il materiale rigorosamente bidimensionale conduce bene l'elettricità, ma non è un superconduttore. Ma forse questo può essere cambiato.

Un'opzione complicata per la superconduttività

Ad aprile 2018, un gruppo del MIT negli Stati Uniti ha mostrato che è possibile generare una forma di superconduttività in un sistema di due strati di grafene in condizioni molto specifiche. Per fare questo, le due reti esagonali devono essere attorcigliate l'una contro l'altra con un angolo di 1,1 gradi. In questa condizione, una banda piatta si forma nella struttura elettronica. La preparazione di campioni da due strati di grafene con una torsione così esattamente regolata è complessa, e non adatto alla produzione di massa. Tuttavia, lo studio ha attirato molta attenzione tra gli esperti.

Il modo semplice per appiattire le bande

Ma ce n'è uno in più, modo molto più semplice di formare una banda piatta. Ciò è stato dimostrato da un gruppo dell'HZB attorno al Prof. Oliver Rader e al Dr. Andrei Varykhalov con indagini presso BESSY II.

I campioni sono stati forniti dal Prof. Thomas Seyller, TU Chemnitz. Lì vengono prodotti utilizzando un processo adatto anche alla produzione di aree più grandi e in grandi quantità:un cristallo di carburo di silicio viene riscaldato fino a quando gli atomi di silicio evaporano dalla superficie, lasciando prima un singolo strato di grafene sulla superficie, e poi un secondo strato di grafene. I due strati di grafene non sono attorcigliati l'uno contro l'altro, ma si trovano esattamente uno sopra l'altro.

Scansione della struttura della banda con ARPES

A BESSY II, i fisici sono in grado di scansionare la cosiddetta struttura a bande del campione. Questa struttura a bande fornisce informazioni su come i portatori di carica sono distribuiti tra gli stati consentiti dalla meccanica quantistica e quali portatori di carica sono disponibili per il trasporto. La spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES) di BESSY II consente tali misurazioni con una risoluzione estremamente elevata.

Attraverso un'analisi precisa della struttura a bande, hanno identificato un'area che era stata precedentemente trascurata. "Il doppio strato di grafene è stato studiato in precedenza perché è un semiconduttore con un gap di banda, " spiega Varykhalov. "Ma sullo strumento ARPES a BESSY II, la risoluzione è abbastanza alta da riconoscere l'area piatta vicino a questa banda proibita."

"È una proprietà sorvegliata di un sistema ben studiato, " dice il primo autore Dr. Dmitry Marchenko. "In precedenza non era noto che ci fosse un'area piatta nella struttura della banda in un sistema così semplice e ben noto".

Questa zona piatta è un prerequisito per la superconduttività, ma solo se si trova esattamente alla cosiddetta energia di Fermi. Nel caso del grafene a due strati, il suo livello di energia è di soli 200 milli-elettronvolt al di sotto dell'energia di Fermi, ma è possibile elevare il livello energetico della zona pianeggiante all'energia di Fermi sia drogando con atomi estranei sia applicando una tensione esterna, la cosiddetta tensione di gate.

I fisici hanno scoperto che le interazioni tra i due strati di grafene e tra il grafene e il reticolo di carburo di silicio sono corresponsabili della formazione dell'area a banda piatta. "Possiamo prevedere questo comportamento con pochissimi parametri e potremmo utilizzare questo meccanismo per controllare la struttura della banda, " aggiunge Oliver Rader.