Explican la superconductividad del grafeno

Científicos han encontrado evidencia de que las capas dobles de grafeno tienen una propiedad que puede permitirles conducir la corriente eléctrica completamente sin resistencia.

El hallazgo se ha conseguido en el sincrotrón BESSY II del HZB (Helmholtz-Zentrum Berlín), y se publica en 'Science Advances'.

 

Los átomos de carbono pueden formar enlaces de múltiples maneras. Por lo tanto, el carbono puro puede ocurrir en muchas formas, incluyendo diamante, grafito, nanotubos, moléculas de fútbol o como una red en forma de panal con mallas hexagonales, conocidas como grafeno. Este material exótico, estrictamente bidimensional, conduce bien la electricidad, pero no es un superconductor. Pero tal vez esto puede cambiarse.

 

En abril de 2018, un grupo en MIT (Estados Unidos) mostró 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 una torsión exactamente ajustada es compleja y no es adecuada para la producción en masa. Sin embargo, el estudio ha atraído mucha atención entre los expertos.

 

Pero hay una forma mucho más simple de formación de bandas planas. Esto fue demostrado por un grupo en la HZB liderado por el profesor Oliver Rader y el doctor Andrei Varykhalov con investigaciones en BESSY II.

 

Las muestras fueron proporcionadas por el profesor Thomas Seyller, de la TU Chemnitz. Allí se producen utilizando 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 capa de grafeno en la superficie y luego Una segunda capa de grafeno. Las dos capas de grafeno no están torcidas una contra otra, sino que se encuentran exactamente una encima de la otra.

 

En BESSY II, los físicos pueden escanear la llamada estructura de banda de la muestra. Esta estructura de banda proporciona información sobre cómo se distribuyen los portadores de carga entre los estados de mecánica cuántica permitidos y qué portadores de carga están disponibles para el transporte. La espectroscopia de fotoemisión de resolución de ángulo (ARPES) en BESSY II permite estas 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 anteriormente porque es un semiconductor con un intervalo de banda --explica Varykhalov--. Pero en el instrumento ARPES en BESSY II, la resolución es lo suficientemente alta como para reconocer el área plana al lado de esta banda".

 

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

 

Esta área plana es un requisito previo para la superconductividad, pero solo si está situada exactamente en la llamada energía de Fermi. En el caso del grafeno de dos capas, su nivel de energía es solo 200 mili-electronvoltios 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 por dopaje con átomos extraños o aplicando una tensión externa, la llamada tensión de compuerta.

 

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 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