Los superconductores son materiales que pueden conducir electricidad con resistencia cero cuando se enfrían por debajo de una determinada temperatura crítica. Tienen aplicaciones en varios campos, incluidas las imágenes por resonancia magnética, los aceleradores de partículas, la energía eléctrica y la computación cuántica. Sin embargo, su uso generalizado está limitado por la necesidad de temperaturas extremadamente bajas.
Los materiales a base de grafeno son prometedores para los superconductores debido a sus propiedades únicas, como la transparencia óptica, la resistencia mecánica y la flexibilidad. El grafeno es una sola capa de átomos de carbono (C) dispuestos en una estructura de panal bidimensional. Entre estos materiales, el compuesto grafeno-calcio (C6 CaC6 ) exhibe la temperatura crítica más alta. En este compuesto, se introduce una capa de calcio entre dos capas de grafeno en un proceso llamado intercalación.
Si bien este material ya tiene temperaturas críticas altas, algunos estudios han demostrado que las temperaturas críticas y, por lo tanto, la superconductividad se pueden mejorar aún más mediante la introducción de Ca de alta densidad.
C6 CaC6 se prepara cultivando dos capas de grafeno sobre un sustrato de carburo de silicio (SiC) seguido de la exposición a átomos de Ca, lo que conduce a la intercalación de Ca entre las capas. Sin embargo, se esperaba que la intercalación con Ca de alta densidad pudiera provocar variaciones en la temperatura crítica de C6 CaC6 .
En particular, puede conducir a la formación de una capa metálica en la interfaz de la capa inferior de grafeno y SiC, un fenómeno denominado epitaxia de confinamiento. Esta capa puede influir significativamente en las propiedades electrónicas de la capa superior de grafeno, como dar lugar a una singularidad de Van Hove (VHS), que puede mejorar la superconductividad del C6. CaC6 . Sin embargo, todavía falta la validación experimental de este fenómeno.
En un estudio reciente, un equipo de investigadores de Japón, dirigido por el profesor asistente Satoru Ichinokura del Departamento de Física del Instituto de Tecnología de Tokio, investigó experimentalmente el impacto de la introducción de Ca de alta densidad en el C6. CaC6 .
"Hemos revelado experimentalmente que la introducción de Ca de alta densidad induce una intercalación significativa en la interfaz que conduce a la epitaxia de confinamiento de una capa de Ca debajo de C6 CaC6 , que da lugar a VHS y mejora su superconductividad", dice Ichinokura. Su estudio fue publicado en línea en ACS Nano el 13 de mayo de 2024.
Los investigadores prepararon diferentes muestras de C6 CaC6 , con diferentes densidades de Ca, e investigaron sus propiedades electrónicas. Los resultados revelaron que la capa metálica interfacial formada entre la capa inferior de grafeno y SiC, en altas densidades de Ca, de hecho conduce a la aparición de VHS.
Además, los investigadores también compararon las propiedades del C6 CaC6 estructuras con y sin la capa interfacial de Ca, revelando que la formación de esta capa conduce a un aumento de la temperatura crítica a través del VHS. Además, descubrieron que el VHS aumenta las temperaturas críticas a través de dos mecanismos.
La primera es una interacción atractiva indirecta entre electrones y fonones (partículas asociadas con vibraciones) y la segunda es una interacción atractiva directa entre electrones y huecos (espacios vacíos que dejan los electrones en movimiento). Estos hallazgos sugieren que al introducir Ca de alta densidad, se puede obtener superconductividad a temperaturas más altas, ampliando potencialmente la aplicabilidad del C6 CaC6 en diversos campos.
Destacando las posibles aplicaciones de este material, Ichinokura comenta:"El compuesto de grafeno-calcio, al ser un material de baja dimensión compuesto de elementos comunes, contribuirá a la integración y popularización de las computadoras cuánticas".
"Con la computación cuántica, serán posibles cálculos a gran escala y de alta velocidad de sistemas complejos, lo que permitirá la optimización de los sistemas energéticos hacia la neutralidad de carbono y mejorará drásticamente la eficiencia del desarrollo de catalizadores y el descubrimiento de fármacos mediante la simulación directa de reacciones atómicas y moleculares".
En general, los hallazgos experimentales de este estudio podrían conducir a C6 CaC6 superconductores con propiedades mejoradas y amplia aplicabilidad en campos críticos.
Más información: Satoru Ichinokura et al, Singularidad de Van Hove y superconductividad mejorada en grafeno bicapa intercalado con Ca inducido por epitaxia de confinamiento, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.4c01757
Información de la revista: ACS Nano
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Tokio
