Los científicos de HZB han encontrado evidencia de que las capas dobles de grafeno tienen una propiedad que les permite conducir la corriente completamente sin resistencia. Probaron la estructura de la banda en BESSY II con ARPES de resolución extremadamente alta y pudieron identificar un área plana en una ubicación sorprendente. Su investigación se publica en Avances de la ciencia .

Los átomos de carbono pueden formar enlaces de múltiples formas. Por lo tanto, el carbono puro puede presentarse en muchas formas, incluido el diamante, grafito, nanotubos, moléculas de fútbol o como una red de panal con mallas hexagonales, conocido como grafeno. Este exótico material estrictamente bidimensional conduce bien la electricidad, pero no es un superconductor. Pero quizás esto se pueda cambiar.

Una opción complicada para la superconductividad

En abril de 2018, un grupo del MIT en los EE. UU. demostró que es posible generar una forma de superconductividad en un sistema de dos capas de grafeno en condiciones muy específicas. Para hacer esto, las dos redes hexagonales deben estar torcidas entre sí en un ángulo de 1,1 grados. Bajo esta condición, se forma una banda plana en la estructura electrónica. La preparación de muestras a partir de dos capas de grafeno con un giro tan exactamente ajustado es compleja, y no apto para producción en masa. Sin embargo, el estudio ha atraído mucha atención entre los expertos.

La forma sencilla de bandas planas

Pero hay uno más forma mucho más sencilla de formación de bandas planas. Esto fue demostrado por un grupo en el HZB alrededor del Prof. Oliver Rader y el Dr. Andrei Varykhalov con investigaciones en BESSY II.

Las muestras fueron proporcionadas por el Prof. Thomas Seyller, TU Chemnitz. Allí se producen mediante un proceso que también es adecuado para la producción de áreas más grandes y en grandes cantidades:un cristal de carburo de silicio se calienta hasta que los átomos de silicio se evaporan de la superficie, dejando primero una sola capa de grafeno en la superficie, y luego una segunda capa de grafeno. Las dos capas de grafeno no se retuercen entre sí, pero se acuestan exactamente uno encima del otro.

Escaneando la estructura de la banda con ARPES

En BESSY II, los físicos pueden escanear la denominada estructura de bandas de la muestra. Esta estructura de banda proporciona información sobre cómo se distribuyen los portadores de carga entre los estados permitidos por la mecánica cuántica y qué portadores de carga están disponibles para el transporte. La espectroscopia de fotoemisión de resolución en ángulo (ARPES) en BESSY II permite tales mediciones con una resolución extremadamente alta.

Mediante un análisis exacto de la estructura de la banda, identificaron un área que anteriormente se había pasado por alto. "La doble capa de grafeno se ha estudiado antes porque es un semiconductor con una banda prohibida, "explica Varykhalov." Pero en el instrumento ARPES en BESSY II, la resolución es lo suficientemente alta como para reconocer el área plana junto a esta banda prohibida ".

"Es una propiedad supervisada de un sistema bien estudiado, ", dice el primer autor, el Dr. Dmitry Marchenko." Anteriormente se desconocía que hubiera un área plana en la estructura de la banda en un sistema tan simple y bien conocido ".

Esta área plana es un requisito previo para la superconductividad, pero solo si está situado exactamente en la llamada energía de Fermi. En el caso del grafeno de dos capas, su nivel de energía está solo 200 milielectronvoltios por debajo de la energía de Fermi, pero es posible elevar el nivel de energía del área plana a la energía de Fermi ya sea dopando con átomos extraños o aplicando un voltaje externo, el llamado voltaje de puerta.

Los físicos han descubierto que las interacciones entre las dos capas de grafeno y entre el grafeno y la red de carburo de silicio son conjuntamente responsables de la formación del área de la banda plana. "Podemos predecir este comportamiento con muy pocos parámetros y podríamos usar este mecanismo para controlar la estructura de la banda, "agrega Oliver Rader.