Исследователи использовали луч интенсивного ультрафиолетового света, чтобы глубже изучить электронную структуру материала, состоящего из чередующихся слоев графена и кальция. Хотя уже почти десять лет известно, что этот комбинированный материал является сверхпроводящим, новое исследование предлагает первое убедительное свидетельство того, что слои графена играют важную роль в этом процессе, открытие, которое может изменить конструкцию материалов для электронных устройств нанометрового размера.
«Наша работа указывает путь к созданию сверхпроводящего графена — то, о чем научное сообщество давно мечтало, но не смогло этого достичь», — сказал Шуолонг Ян, аспирант Стэнфордского института материаловедения и энергетики (SIMES). который руководил исследованиями в Стэнфордском источнике синхротронного излучения SLAC.
Исследователи увидели, как электроны рассеиваются взад и вперед между графеном и кальцием, взаимодействуют с естественными колебаниями в атомной структуре материала и объединяются, чтобы проводить электричество без сопротивления. Они сообщили о своих выводах 20 марта в Nature Communications.
Графит и кальций
Графен, одинарный слой атомов углерода, расположенных в виде сот, является самым тонким и прочным из известных материалов и отличным проводником электричества, помимо других замечательных свойств.
Ученые надеются в конечном итоге использовать его для создания очень быстрых транзисторов, датчиков и даже прозрачных электродов.
Классический способ сделать графен — это отделить атомарно тонкие листы от блока графита, формы чистого углерода, известного как грифель в карандашах.
Но ученые также могут изолировать эти углеродные листы, химически переплетая графит с кристаллами чистого кальция. Результат, известный как графит с интеркалированным кальцием или CaC6, состоит из чередующихся слоев графена и кальция толщиной в один атом.
Открытие того, что CaC6 является сверхпроводящим, вызвало волну ажиотажа: означает ли это, что графен может добавить сверхпроводимость к своему списку достижений??
Но почти за десять лет попыток исследователи не смогли сказать, происходит ли сверхпроводимость CaC6 из слоя кальция, слоя графена или из обоих.
Наблюдение за сверхпроводящими электронами
Для этого исследования образцы CaC6 были изготовлены в Университетском колледже Лондона и доставлены в SSRL для анализа.
«Это чрезвычайно сложные эксперименты», — сказал Патрик Кирчманн, научный сотрудник SLAC и SIMES. Но чистота образца в сочетании с высоким качеством пучка ультрафиолетового света позволила им заглянуть вглубь материала и различить, что делают электроны в каждом слое, сказал он, раскрывая детали их поведения, которые ранее не наблюдались.
«С помощью этой техники мы можем впервые показать, как электроны, живущие на графеновых плоскостях, на самом деле обладают сверхпроводимостью», — сказал аспирант SIMES Джонатан Собота, проводивший эксперименты с Янгом. "Слой кальция также вносит решающий вклад.
Наконец, мы думаем, что понимаем сверхпроводящий механизм в этом материале."
Хотя применение сверхпроводящего графена является спекулятивным и далеким будущим, по словам ученых, они могут включать сверхвысокочастотные аналоговые транзисторы, наноразмерные датчики, электромеханические устройства и устройства квантовых вычислений.