I materiali a base di grafene sono promettenti per i superconduttori grazie alle loro proprietà uniche come trasparenza ottica, resistenza meccanica e flessibilità. Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio (C) disposti in una struttura a nido d'ape bidimensionale. Tra questi materiali, il composto grafene-calcio (C₆ CaC₆ ) mostra la temperatura critica più alta. In questo composto, uno strato di calcio viene introdotto tra due strati di grafene in un processo chiamato intercalazione.

Sebbene questo materiale abbia già temperature critiche elevate, alcuni studi hanno dimostrato che le temperature critiche e quindi la superconduttività possono essere ulteriormente migliorate attraverso l'introduzione di Ca ad alta densità.

C₆ CaC₆ viene preparato facendo crescere due strati di grafene su un substrato di carburo di silicio (SiC) seguito dall'esposizione agli atomi di Ca, che porta all'intercalazione di Ca tra gli strati. Tuttavia, ci si aspettava che l'intercalazione con Ca ad alta densità potesse portare a variazioni della temperatura critica di C₆ CaC₆ .

In particolare, può portare alla formazione di uno strato metallico all'interfaccia tra lo strato inferiore di grafene e SiC, un fenomeno chiamato epitassia di confinamento. Questo strato può influenzare in modo significativo le proprietà elettroniche dello strato superiore di grafene, come dare origine a una singolarità di Van Hove (VHS), che può migliorare la superconduttività di C₆ CaC₆ . Tuttavia, manca ancora la validazione sperimentale di questo fenomeno.

In uno studio recente, un team di ricercatori giapponesi, guidato dal professore assistente Satoru Ichinokura del Dipartimento di fisica del Tokyo Institute of Technology, ha studiato sperimentalmente l'impatto dell'introduzione di Ca ad alta densità nel C₆ CaC₆ .

"Abbiamo rivelato sperimentalmente che l'introduzione di Ca ad alta densità induce una significativa intercalazione all'interfaccia che porta all'epitassia di confinamento di uno strato di Ca sotto C₆ CaC₆ , che dà origine al VHS e ne migliora la superconduttività", afferma Ichinokura. Il loro studio è stato pubblicato online su ACS Nano il 13 maggio 2024.

I ricercatori hanno preparato diversi campioni di C₆ CaC₆ , con densità variabili di Ca, e ne hanno studiato le proprietà elettroniche. I risultati hanno rivelato che lo strato metallico interfacciale formato tra lo strato inferiore di grafene e SiC, ad alte densità di Ca, porta effettivamente alla comparsa di VHS.

Inoltre, i ricercatori hanno anche confrontato le proprietà del C₆ CaC₆ strutture con e senza lo strato interfacciale di Ca, rivelando che la formazione di questo strato porta ad un aumento della temperatura critica attraverso il VHS. Hanno inoltre scoperto che il VHS aumenta le temperature critiche attraverso due meccanismi.

La prima è un'interazione attrattiva indiretta tra elettroni e fononi (particelle associate alle vibrazioni) e la seconda è un'interazione attrattiva diretta tra elettroni e lacune (spazi vuoti lasciati dagli elettroni in movimento). Questi risultati suggeriscono che introducendo Ca ad alta densità, la superconduttività può essere ottenuta a temperature più elevate, ampliando potenzialmente l'applicabilità del C₆ CaC₆ in vari campi.

Evidenziando le potenziali applicazioni di questo materiale, Ichinokura osserva:"Il composto di grafene-calcio, essendo un materiale a bassa dimensionalità composto da elementi comuni, contribuirà all'integrazione e alla divulgazione dei computer quantistici.

"Con l'informatica quantistica, saranno possibili calcoli su larga scala e ad alta velocità di sistemi complessi, consentendo l'ottimizzazione dei sistemi energetici verso la neutralità del carbonio e migliorando notevolmente l'efficienza dello sviluppo di catalizzatori e della scoperta di farmaci attraverso la simulazione diretta di reazioni atomiche e molecolari."

Nel complesso, i risultati sperimentali di questo studio potrebbero portare a C₆ CaC₆ superconduttori con proprietà migliorate e ampia applicabilità in campi critici.