Los científicos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han descubierto una forma potencial de hacer que el grafeno, una sola capa de átomos de carbono con una gran promesa para la electrónica del futuro, sea superconductor, un estado en el que llevaría electricidad con una eficiencia del 100 por ciento.

Los investigadores utilizaron un rayo de luz ultravioleta intensa para mirar profundamente en la estructura electrónica de un material hecho de capas alternas de grafeno y calcio. Si bien se sabe desde hace casi una década que este material combinado es superconductor, el nuevo estudio ofrece la primera evidencia convincente de que las capas de grafeno son fundamentales en este proceso, un descubrimiento que podría transformar la ingeniería de materiales para dispositivos electrónicos a nanoescala.

"Nuestro trabajo apunta a un camino para hacer que el grafeno sea superconductor, algo con lo que la comunidad científica ha soñado durante mucho tiempo, pero no lo logré, "dijo Shuolong Yang, estudiante de posgrado en el Instituto de Ciencias de Materiales y Energía de Stanford (SIMES) que dirigió la investigación en Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) de SLAC.

Los investigadores vieron cómo los electrones se dispersan entre el grafeno y el calcio, interactúan con las vibraciones naturales en la estructura atómica del material y se emparejan para conducir la electricidad sin resistencia. Informaron sus hallazgos el 20 de marzo en Nature Communications.

El grafito se encuentra con el calcio

Grafeno una sola capa de átomos de carbono dispuestos en un patrón de panal, es el material más delgado y resistente conocido y un gran conductor de electricidad, entre otras propiedades notables. Los científicos esperan usarlo eventualmente para hacer transistores muy rápidos, sensores e incluso electrodos transparentes.

La forma clásica de hacer grafeno es pelando láminas atómicamente delgadas de un bloque de grafito, una forma de carbono puro que es familiar como la mina de los lápices. Pero los científicos también pueden aislar estas láminas de carbono entrelazando químicamente el grafito con cristales de calcio puro. El resultado, conocido como grafito intercalado de calcio o CaC6, consiste en capas alternas de grafeno y calcio de un átomo de espesor.

El descubrimiento de que el CaC6 es superconductor desencadenó una ola de entusiasmo:¿significaba esto que el grafeno podría agregar superconductividad a su lista de logros? Pero en casi una década de intentarlo, Los investigadores no pudieron decir si la superconductividad de CaC6 provenía de la capa de calcio, la capa de grafeno o ambas.

Observación de electrones superconductores

Para este estudio, Se prepararon muestras de CaC6 en el University College de Londres y se llevaron a SSRL para su análisis.

"Estos son experimentos extremadamente difíciles, "dijo Patrick Kirchmann, un científico de planta en SLAC y SIMES. Pero la pureza de la muestra combinada con la alta calidad del haz de luz ultravioleta les permitió ver profundamente en el material y distinguir lo que estaban haciendo los electrones en cada capa. él dijo, revelando detalles de su comportamiento que no se habían visto antes.

"Con esta técnica, podemos mostrar por primera vez cómo los electrones que viven en los planos de grafeno realmente se superconducen, "dijo el estudiante graduado del SIMES Jonathan Sobota, que llevó a cabo los experimentos con Yang. "La capa de calcio también hace contribuciones cruciales. Finalmente, creemos que entendemos el mecanismo superconductor de este material".

Aunque las aplicaciones del grafeno superconductor son especulativas y están muy en el futuro, los científicos dijeron, podrían incluir transistores analógicos de frecuencia ultraalta, sensores a nanoescala y dispositivos electromecánicos y dispositivos de computación cuántica.