Propriedades supercondutoras de grafeno descoberto

SLAC, Stanford estudo identifica caminho há muito procurado para materiais de engenharia para a nanoeletrônica super-eficiente

Cientistas do Departamento de SLAC Accelerator Laboratory da Energia Nacional e da Universidade de Stanford descobriram um caminho potencial para fazer o grafeno - uma única camada de átomos de carbono com uma grande promessa para a eletrônica futuras - supercondutores, um estado em que ele iria levar eletricidade com uma eficiência de 100 por cento.

Os pesquisadores usaram um feixe de luz ultravioleta intensa de olhar em profundidade a estrutura eletrônica de um material feito de camadas alternadas de grafeno e cálcio. Embora seja conhecida há quase uma década que este material combinado é supercondutor, o novo estudo oferece a primeira evidência convincente de que as camadas de grafeno são fundamentais nesse processo, uma descoberta que poderá transformar a engenharia de materiais para dispositivos eletrônicos em nanoescala.

"Nossos trabalho aponta para um caminho de fazer o grafeno supercondutor - algo que a comunidade científica tem sonhado por muito tempo, mas não conseguiu alcançar", disse Shuolong Yang, um estudante de pós-graduação do Instituto Stanford de Materiais e Ciências da Energia (SIMES) que liderou a pesquisa na Universidade de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource da SLAC (SSRL).

Os pesquisadores viram como os elétrons dispersar e para trás entre grafeno e cálcio, interagir com as vibrações naturais na estrutura atômica do material e de emparelhar-se de conduzir eletricidade sem resistência. Eles relataram seus resultados 20 de março em Nature Communications.

Grafite atende cálcio

O grafeno, uma única camada de átomos de carbono arranjados em um padrão de favo de mel, é o material mais fino e mais forte conhecida e um grande condutor de eletricidade, entre outras propriedades notáveis. Os cientistas esperam, eventualmente, utilizá-lo para fazer transistores muito rápido, sensores e até eletrodos transparentes.

A maneira clássica de fazer grafeno é por descascar folhas atomicamente finas de um bloco de grafite, uma forma de carbono puro que é familiar como o chumbo em lápis. Mas os cientistas também pode isolar essas folhas de carbono entrelaçando quimicamente grafite com cristais de cálcio puro. O resultado, conhecido como cálcio grafite intercalada ou CaC6, constituída por camadas alternadas de um átomo de espessura de grafeno e cálcio.

A descoberta de que CaC6 está definido supercondutor desencadeou uma onda de excitação: Será que isso significa que o grafeno poderia adicionar supercondutividade à sua lista de realizações? Mas em quase uma década de tentativas, os pesquisadores não foram capazes de dizer se a supercondutividade de CaC6 veio a partir da camada de cálcio, a camada de grafeno, ou ambos.

Observando os elétrons supercondutores

Para este estudo, amostras de CaC6 foram feitos na Universidade de Londres e trouxe para SSRL para análise.

"Essas são experiências extremamente difíceis", disse Patrick Kirchmann, um cientista da equipe do SLAC e SIMES. Mas a pureza da amostra combinada com a alta qualidade do feixe de luz ultravioleta permitiu-lhes ver em profundidade o material e distinguir o que os elétrons em cada camada estava fazendo, disse ele, revelando detalhes de seu comportamento que não tinha sido visto antes.

"Com essa técnica, podemos mostrar, pela primeira vez como os elétrons que vivem nos planos de grafeno realmente supercondutor", disse SIMES estudante Jonathan Sobota, que realizou os experimentos com Yang. "A camada de cálcio também faz contribuições cruciais. Finalmente achamos que entendemos o supercondutor  mecanismo neste material. "

Embora os aplicativos de supercondutor grafeno são especulativos e distante no futuro, segundo os cientistas, eles poderiam incluir transistores ultra-alta freqüência analógicos, sensores em nanoescala e dispositivos eletromecânicos e dispositivos de computação quântica.

Fonte: Universidade de Stanford

• Referência: " folhas de grafeno supercondutor em CaC6 habilitados por interações interband mediada por fônons "-S.-L.Yang, JA Sobota, CA Howard, CJ Pickard, M. Hashimoto, DH Lu, S.-K. Mo, PS Kirchmann & Z.-X. Shen - doi: 10.1038/ncomms4493

Imagem em destaque: Adicionando átomos de cálcio (esferas laranja) entre planos de grafeno (azul Honeycomb) cria um material supercondutor chamado CaC6. Agora, um estudo em SLAC mostrou pela primeira vez que o grafeno é um jogador chave neste supercondutividade: Elétrons dispersar e para trás entre as camadas de grafeno e cálcio, interagir com as vibrações naturais na estrutura atômica do material e de emparelhar-se de conduzir eletricidade sem resistência . Crédito da imagem: Greg Stewart / SLAC