Roma – I superconduttori sono materiali che possono condurre elettricità con resistenza pari a zero quando vengono raffreddati al di sotto di una determinata temperatura critica. Hanno applicazioni in diversi campi, tra cui la risonanza magnetica, gli acceleratori di particelle, l’energia elettrica e l’informatica quantistica. Tuttavia, la loro diffusione è limitata dalla necessità di temperature estremamente basse. I materiali a base di grafene sono promettenti per i superconduttori grazie alle loro proprietà uniche come trasparenza ottica, resistenza meccanica e flessibilità. Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio (C) disposti in una struttura a nido d’ape bidimensionale. Tra questi materiali, il composto grafene-calcio (Ca) (C 6 CaC 6 ) presenta la temperatura critica più alta. In questo composto, uno strato di calcio viene introdotto tra due strati di grafene in un processo chiamato intercalazione. Sebbene questo materiale abbia già temperature critiche elevate, alcuni studi hanno dimostrato che le temperature critiche e quindi la superconduttività possono essere ulteriormente migliorate attraverso l’introduzione di Ca ad alta densità.
I risultati dello studio rivelano l’importanza delle interazioni interfacciali per ottenere la superconduttività ad alta temperatura nei materiali compositi.
CREDITO
Tokyo Tech
C 6 CaC 6 viene preparato facendo crescere due strati di grafene su un substrato di carburo di silicio (SiC) seguito dall’esposizione agli atomi di Ca, che porta all’intercalazione di Ca tra gli strati. Tuttavia, ci si aspettava che l’intercalazione con Ca ad alta densità potesse portare a variazioni nella temperatura critica di C 6 CaC 6 . In particolare, può portare alla formazione di uno strato metallico all’interfaccia tra lo strato inferiore di grafene e SiC, un fenomeno chiamato epitassia di confinamento. Questo strato può influenzare in modo significativo le proprietà elettroniche dello strato superiore di grafene, come dare origine alla singolarità di Van Hove (VHS), che può migliorare la superconduttività di C 6 CaC 6 . Tuttavia, manca ancora la validazione sperimentale di questo fenomeno.
In uno studio recente, un team di ricercatori giapponesi, guidato dal professore assistente Satoru Ichinokura del Dipartimento di fisica del Tokyo Institute of Technology, ha studiato sperimentalmente l’impatto dell’introduzione di Ca ad alta densità su C 6 CaC 6 . “Abbiamo rivelato sperimentalmente che l’introduzione di Ca ad alta densità induce una significativa intercalazione all’interfaccia che porta all’epitassia di confinamento di uno strato di Ca sotto C 6 CaC 6 , che dà origine a VHS e ne migliora la superconduttività”, afferma Ichinokura. Il loro studio è stato pubblicato online su ACS Nano
I ricercatori hanno preparato diversi campioni di C 6 CaC 6 , con diverse densità di Ca, e ne hanno studiato le proprietà elettroniche. I risultati hanno rivelato che lo strato metallico interfacciale formato tra lo strato inferiore di grafene e SiC, ad alte densità di Ca, porta effettivamente alla comparsa di VHS. Inoltre, i ricercatori hanno anche confrontato le proprietà delle strutture C 6 CaC 6 con e senza lo strato interfacciale di Ca, rivelando che la formazione di questo strato porta ad un aumento della temperatura critica attraverso il VHS. Hanno inoltre scoperto che il VHS aumenta le temperature critiche attraverso due meccanismi. La prima è un’interazione attrattiva indiretta tra elettroni e fononi (particelle associate alle vibrazioni) e la seconda è un’interazione attrattiva diretta tra elettroni e lacune (spazi vuoti lasciati dagli elettroni in movimento). Questi risultati suggeriscono che introducendo Ca ad alta densità, la superconduttività può essere ottenuta a temperature più elevate, ampliando potenzialmente l’applicabilità del C 6 CaC 6 in vari campi.
Evidenziando le potenziali applicazioni di questo materiale, Ichinokura osserva: “Il composto di grafene-calcio, essendo un materiale a bassa dimensionalità composto da elementi comuni, contribuirà all’integrazione e alla divulgazione dei computer quantistici. Con l’informatica quantistica, saranno possibili calcoli su larga scala e ad alta velocità di sistemi complessi, consentendo l’ottimizzazione dei sistemi energetici verso la neutralità del carbonio e migliorando notevolmente l’efficienza dello sviluppo di catalizzatori e della scoperta di farmaci attraverso la simulazione diretta di reazioni atomiche e molecolari”.
Nel complesso, i risultati sperimentali di questo studio possono portare a superconduttori C 6 CaC 6 con proprietà migliorate e ampia applicabilità in campi critici.(30Science.com)
