Grafeno a caminho da supercondutividade

Cientistas do HZB descobriram evidências de que camadas duplas de grafeno têm uma propriedade que pode permitir que elas conduzam a corrente completamente sem resistência, ou seja, supercondutividade. Eles sondaram a estrutura de banda no BESSY II com ARPES (Espectros de fotoemissão com resolução angular) de resolução extremamente alta e puderam identificar uma área plana em um local surpreendente. Sua pesquisa é publicada na Science Advances.

Átomos de carbono podem formar ligações de várias maneiras. O carbono puro pode, portanto, ocorrer em muitas formas, incluindo diamante, grafite, nanotubos, moléculas de futebol ou como uma rede de favo de mel com malhas hexagonais, conhecido como grafeno. Esse material exótico, estritamente bidimensional, conduz bem a eletricidade, mas não é um supercondutor. Mas talvez isso possa ser mudado.

Uma opção complicada para supercondutividade

Em abril de 2018, um grupo do MIT nos EUA mostrou que é possível gerar uma forma de supercondutividade em um sistema de duas camadas de grafeno sob condições muito específicas. Para fazer isso, as duas redes hexagonais devem ser torcidas uma contra a outra em um ângulo de 1,1 graus. Sob essa condição, uma faixa plana se forma na estrutura eletrônica. A preparação de amostras de duas camadas de grafeno com uma torção exatamente ajustada é complexa e não é adequada para produção em massa. No entanto, o estudo atraiu muita atenção entre os especialistas.

O caminho simples para bandas planas

Mas há mais uma forma muito mais simples de formação de banda plana. Isto foi mostrado por um grupo no HZB com o Prof. Oliver Rader e do Dr. Andrei Varykhalov com investigações no BESSY II.

As amostras foram fornecidas pelo Prof. Thomas Seyller, TU Chemnitz. Lá eles são produzidos usando um processo que também é adequado para a produção de grandes áreas e em grandes quantidades: Um cristal de carboneto de silício é aquecido até que os átomos de silício evaporem da superfície, deixando primeiro uma única camada de grafeno na superfície, e então uma segunda camada de grafeno. As duas camadas de grafeno não são torcidas uma contra a outra, mas ficam exatamente uma em cima da outra.

Escaneando a estrutura da banda com o ARPES

No BESSY II, os físicos são capazes de escanear a chamada estrutura de banda da amostra. Esta estrutura de banda fornece informação sobre como os transportadores de carga estão distribuídos entre os estados químicos mecanicamente permitidos e quais transportadores de carga estão disponíveis para o transporte. A ARPES permite tais medições com resolução extremamente alta.

Através de uma análise exata da estrutura da banda, eles identificaram uma área que anteriormente havia sido negligenciada. “A dupla camada de grafeno foi estudada antes, porque é um semicondutor com um gap”, explica Varykhalov. “Mas no instrumento ARPES no BESSY II, a resolução é alta o suficiente para reconhecer a área plana próxima a essa lacuna de banda.”

“É uma propriedade supervisionada de um sistema bem estudado”, diz o primeiro autor, Dr. Dmitry Marchenko. “Anteriormente, era desconhecido que houvesse uma área plana na estrutura da banda em um sistema tão conhecido e simples.”

Esta área plana é um pré-requisito para a supercondutividade, mas somente se ela estiver situada exatamente na chamada energia de Fermi. No caso do grafeno de duas camadas, seu nível de energia é de apenas 200 mili-elétron volts abaixo da energia de Fermi, mas é possível elevar o nível de energia da área plana para a energia de Fermi por doping com átomos estrangeiros ou aplicando uma voltagem externa, a chamada voltagem da porta.

Os físicos descobriram que as interações entre as duas camadas de grafeno e entre o grafeno e a rede de carboneto de silício são co-responsáveis ​​pela formação da área da banda plana. “Podemos prever esse comportamento com poucos parâmetros e usar esse mecanismo para controlar a estrutura da banda”, acrescenta Oliver Rader.

“Extremely flat band in bilayer graphene” Science Advances (2018). DOI: 10.1126/sciadv.aau0059 , http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaau0059

Via Phys.org

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