Superprovodnici su materijali koji mogu da provode električnu energiju sa nultim otporom kada se ohlade ispod određene kritične temperature. Imaju primenu u nekoliko oblasti, uključujući magnetnu rezonancu, akceleratore čestica, električnu energiju i kvantno računarstvo. Međutim, njihova široka upotreba ograničena je potrebom za ekstremno niskim temperaturama.
Materijali na bazi grafena obećavaju za superprovodnike zbog svojih jedinstvenih svojstava kao što su optička transparentnost, mehanička čvrstoća i fleksibilnost. Grafen je jedan sloj atoma ugljenika (C) raspoređenih u dvodimenzionalnu strukturu saća. Među ovim materijalima, grafen-kalcijum jedinjenje (C 6 CaC 6 ) pokazuje najvišu kritičnu temperaturu. U ovom jedinjenju, sloj kalcijuma se uvodi između dva sloja grafena u procesu koji se naziva interkalacija.
Iako ovaj materijal već ima visoke kritične temperature, neke studije su pokazale da se kritične temperature i samim tim superprovodljivost mogu dodatno poboljšati uvođenjem Ca visoke gustine.
C 6 CaC 6 se priprema uzgajanjem dva sloja grafena na supstratu od silicijum karbida (SiC) nakon čega sledi izlaganje atomima Ca, što dovodi do interkalacije Ca između slojeva. Međutim, očekivalo se da interkalacija sa Ca visoke gustine može dovesti do varijacija u kritičnoj temperaturi od C 6 CaC 6 .
Konkretno, to može dovesti do formiranja metalnog sloja na interfejsu donjeg sloja grafena i SiC, fenomena koji se naziva epitaksija zatvaranja. Ovaj sloj može značajno uticati na elektronska svojstva gornjeg sloja grafena, kao što je stvaranje van Hove singularnosti (VHS), što može poboljšati superprovodljivost C6CaC6. Međutim, još uvek nedostaje eksperimentalna validacija ovog fenomena.
U nedavnoj studiji, tim istraživača iz Japana, predvođen docentom Satoruom Ičinokurom sa Odseka za fiziku na Tokijskom tehnološkom institutu, eksperimentalno je istražio uticaj uvođenja Ca visoke gustine u C 6 CaC 6 .
„Eksperimentalno smo otkrili da uvođenje Ca visoke gustine izaziva značajnu interkalaciju na interfejsu što dovodi do epitaksije Ca sloja ispod C 6 CaC 6 , što dovodi do VHS i poboljšava njegovu superprovodljivost“, kaže Ichinokura. Njihova studija je objavljena na mreži u ACS Nano 13. maja 2024.
Istraživači su pripremili različite uzorke C 6 CaC 6 , sa različitim gustinama Ca, i istražili njihova elektronska svojstva. Rezultati su otkrili da međufazni metalni sloj formiran između donjeg sloja grafena i SiC, pri visokim gustinama Ca, zaista dovodi do pojave VHS.
Štaviše, istraživači su takođe uporedili svojstva C 6 CaC 6 struktura sa i bez međufaznog Ca sloja, otkrivajući da formiranje ovog sloja dovodi do povećanja kritične temperature kroz VHS. Dalje su otkrili da VHS povećava kritične temperature kroz dva mehanizma.
Prva je indirektna privlačna interakcija između elektrona i fonona (čestice povezane sa vibracijama), a druga je direktna privlačna interakcija između elektrona i rupa (prazni prostori ostavljeni za pokretnim elektronima). Ovi nalazi sugerišu da se uvođenjem Ca visoke gustine može postići supravodljivost na višim temperaturama, što potencijalno proširuje primenljivost C 6 CaC 6 u različitim oblastima.
Ističući potencijalne primene ovog materijala, Ičinokura napominje: „Jedinjenje grafena i kalcijuma, kao niskodimenzionalni materijal sastavljen od zajedničkih elemenata, doprineće integraciji i popularizaciji kvantnih računara.
„Sa kvantnim računarstvom biće moguća velika i brza izračunavanja složenih sistema, što će omogućiti optimizaciju energetskih sistema ka neutralnosti ugljenika i dramatično poboljšati efikasnost razvoja katalizatora i otkrivanja lekova kroz direktnu simulaciju atomskih i molekularnih reakcija.
Sve u svemu, eksperimentalni nalazi ove studije mogli bi da dovedu do C 6 CaC 6 supraprovodnika sa poboljšanim svojstvima i širokom primenljivošću u kritičnim poljima.
