Con mucho, no siempre, después de haber descubierto una sustancia, los científicos comprenden de inmediato todas sus propiedades. La mejora de las tecnologías, incluidos los métodos, las técnicas y los métodos de investigación, abren nuevas oportunidades para los científicos que desean comprender qué y cómo funciona a nuestro alrededor. Hoy conoceremos cómo los investigadores aprendieron que el grafeno podría tener las propiedades de un superconductor. La superconductividad se ha estudiado desde principios del siglo pasado, y hasta ahora los científicos no son conscientes de todos los aspectos de este fenómeno físico. ¿Cómo logró exactamente el equipo de investigación "reconfigurar" el grafeno, qué resultados mostraron los experimentos y qué debería esperarse de la investigación en el futuro? El informe de los científicos nos ayudará a encontrar respuestas a estas preguntas. Vamos
Base de estudio
Para comenzar, literalmente en pocas palabras, recordemos qué es el grafeno y con qué se come, por así decirlo.
El grafeno, en primer lugar, es una estructura bidimensional que consta de una sola capa de átomos de carbono. En otras palabras, es una monocapa de grafito (la principal fuente de grafeno).
El grafeno tiene propiedades electroquímicas bastante únicas, lo que lo convierte en un candidato ideal para un papel importante en varios estudios y como una posible base para futuras tecnologías.
En condiciones de laboratorio, el grafeno se obtiene en un método muy complejo, lento y que requiere una precisión increíble. Pero de esta manera puede obtener el máximo, por así decirlo, producto de alta calidad. La base de este método es el efecto mecánico sobre el grafito pirolítico altamente orientado.
En este estudio, no se usa grafeno monocapa (
MLG ), sino bicapa (
BLG ). Dado que este material tiene una propiedad física interesante, la banda prohibida * que ocurre cuando se forma asimetría entre dos capas de grafeno.
La zona prohibida * es el rango de valores de energía que un electrón no puede poseer en un cristal ideal. Los tres tipos principales de sólidos se dividen según el intervalo de banda (eV - electron-volt): metales - sin intervalo de banda, semiconductores - hasta 3-4 eV y dieléctricos - más de 4-5 eV.
La zona prohibida de la bicapa de grafeno se forma debido a la singularidad de Van Hove.
El principal problema de los superconductores es que están a temperaturas suficientemente bajas. Los científicos están tratando de elevar la temperatura límite a temperatura ambiente. Los investigadores citan C
6 CaC
6 como ejemplo, que es capaz de mantener la superconductividad a 4 K (-269.15 ° C), y esto, como saben, está lejos de la temperatura ambiente.
Una posible respuesta a la cuestión de la temperatura radica en la combinación de grafeno bidimensional con otros materiales similares. Los investigadores llaman nuestra atención sobre la teoría BCS, que describe la posibilidad de acoplamiento entre electrones con espines y momentos opuestos. En el intercambio de fotones, al estar cerca de la superficie de Fermi, los electrones comienzan a atraerse entre sí. Por lo tanto, se pueden formar pares de electrones que, en teoría, no interactuarán con electrones individuales o una red, es decir, los pares se moverán sin pérdida de energía. Por lo tanto, la temperatura límite de un superconductor se puede aumentar al aumentar la constante de interacción (U) o la densidad de estados en el nivel de Fermi n (EF). En grafeno y grafito, la densidad de estados electrónicos en el nivel de Fermi es bastante baja. En este caso, hay una dependencia directa en el nivel de energía. Y aquí ya puedes aplicar la teoría de las zonas planas. Según los investigadores, cambiar el valor de la constante de interacción sigue siendo muy difícil, pero n (EF) puede aumentarse precisamente mediante zonas planas.
En
este trabajo se describen más detalles sobre zonas planas.
En el estudio que estamos estudiando hoy, los científicos decidieron probar una nueva forma de "aplanar" las zonas electrónicas de grafeno y aumentar la densidad de los estados electrónicos de los sistemas en los que esta densidad es muy baja.
La base material del estudio fue el grafeno de dos capas sobre carburo de silicio (SiC), que, por cierto, es un compuesto de silicio y carbono. La espectroscopía de fotoelectrones de resolución angular (ARPES) se ha convertido en un método de recolección de datos.
Diagrama de instalación de ARPES.¿Ahora descubramos qué hicieron los investigadores?
Resultados de la investigación
Imagen No. 1Las imágenes de arriba muestran datos recopilados usando ARPES, a saber, los datos de una muestra de 6H-SiC recubierta con grafeno monocapa 1.2 (MLG).
6H-SiC es uno de los politipos de carburo de silicio (una estructura con un orden diferente de apilamiento de capas, es decir, los elementos constitutivos son los mismos, pero los diferentes tipos se ubican de manera diferente).Se esperaba que el uso de una monocapa condujera al dominio de la dispersión (conos de Dirac) sobre una dispersión de dos capas débilmente intensa. Sin embargo, a un nivel de energía de interacción de 255 meV (milielectron-voltios), se observa una zona plana bastante pronunciada. En las imágenes
1a ,
1b y
1c, la posición de esta zona se indica con una flecha blanca.
La presencia de 1.2 monocapa de grafeno se debe al hecho de que la intensidad de la fotoemisión BLG es aproximadamente 4 veces menor que la de las zonas MLG. Y la intensidad de la zona BLG plana, por el contrario, es 3 veces mayor que la de las zonas MLG. Los científicos dicen que tales observaciones se pueden encontrar en estudios de predecesores, pero no se han examinado con tanto detalle antes.
El uso de ARPES también permitió notar una zona plana insignificante (flecha azul en
1b ) que surge con una energía de interacción de 150 meV y un pliegue de dispersión en el rango de energía de 150 ... 160 meV.
Luego, los investigadores decidieron analizar la distribución de la intensidad de la fotoemisión. Para esto, se estudió un "mapa" tridimensional alrededor del punto K de la muestra. El análisis mostró que solo la mitad de la monocapa (conos de Dirac) y solo la mitad de la dispersión de bicapa de grafeno son visibles, lo que está asociado con la interferencia perjudicial de dos subredes de grafeno. También se ve que la zona plana se distribuye uniformemente en ambos lados del punto K, lo cual es extremadamente inusual, dada la interferencia de la fotoemisión de grafeno.
La imagen
1d muestra dos estados de la superficie de Fermi tomados de
1a a una energía de interacción de 235 y 255 meV. La diferencia de 20 meV es muy pequeña para ARPES, pero fue suficiente para ver cambios significativos en la superficie de Fermi. A 235 meV, vemos la similitud de una "media luna" debido a la modulación de intensidad debido a la influencia de la interferencia de la fotoemisión. Pero a 255 meV ya vemos un "disco" sin modulación.
El gráfico
1e (1f para la región alrededor del punto K) muestra cuán fuerte es la interferencia de la fotoemisión de la zona plana. Y el gráfico
1g ya muestra los resultados de las mediciones de dispersión.
Teoría funcional de la densidad.
Para un análisis posterior, los cálculos se realizaron de acuerdo con la teoría de la densidad funcional sobre grafeno monocapa, dos capas y tres capas.
Imagen No. 2La Figura
2a muestra una comparación de los cálculos de dispersión para monocapa de grafeno (azul) y bicapa (rojo). Los datos calculados y experimentales sobre la imagen general de las diferencias entre la monocapa y las estructuras de dos capas, así como la presencia de un alto nivel de densidad de estados (
2b ), coinciden casi perfectamente.
Una observación importante es también la región donde aparece la zona plana. Como puede verse en la imagen
2a , surge una zona plana no solo en la capa superior de grafeno en la estructura de bicapa estudiada, sino también en la subrejilla. También se observó un efecto similar al estudiar la estructura del grafeno + Ni (111).
Volvamos al gráfico
2b nuevamente. En él vemos dos singularidades de la densidad de estados en los bordes de la capa, entre las cuales un espacio es claramente visible. Por lo tanto, los picos en la densidad de estados corresponden a las singularidades de Van Hove.
También se prestó especial atención al sustrato de SiC, o más bien a la cuestión de qué tan fuerte es su influencia en el estado del grafeno de doble capa o monocapa. Las imágenes
2e y
2f muestran los resultados de la verificación. El amarillo indica isosuperficies donde hay un proceso de recepción de una carga, y azul claro: pérdida de carga. Aquí vemos que las subredes de la capa superior de grafeno (A y B) y la subcapa de la capa inferior de grafeno (A) prácticamente no reaccionan en absoluto, mostrando solo una asimetría insignificante de las cargas debido a la interacción con el sustrato de SiC. Mientras que la subcapa C, que forma parte de la capa inferior de grafeno, se ve fuertemente afectada por la interacción entre el grafeno y el SiC. Para comprender mejor qué tipo de subredes están involucradas, preste atención a la imagen
2d , que muestra gráficamente todas las capas de la muestra de prueba. En el recuadro en la esquina inferior derecha, vemos cómo se ubican las subredes A, B y C.
Los científicos también analizaron la formación de zonas planas en sistemas con un orden diferente (por ejemplo, ferromagnetos). Resultó que en tales sistemas las zonas planas también exhiben inestabilidad, y la superconductividad prevalecerá sobre el ferromagnetismo si la zona plana está suficientemente cerca del nivel de Fermi. Se pueden proyectar observaciones similares en el estudio actual, dicen los científicos.
Resultados de los investigadores
En primer lugar, los científicos señalan que aunque la expansión bidimensional en la estructura con respecto al punto K es responsable del alto nivel de intensidad de la fotoemisión, no es la causa principal de la aparición de una zona plana. Si esta expansión tuviera un peso significativo en este proceso, durante los experimentos, los efectos del estrechamiento y la amplificación de la intensidad serían visibles en otras zonas de grafeno bicapa alrededor del punto K, pero esto no se observó.
Se observa la desaparición de la interferencia en la región de la zona plana (imagen 1c), debido a que se forma una superficie de Fermi en forma de disco con una energía de interacción de 255 meV. Este es un fenómeno único, especialmente para el grafeno. La interferencia surge debido a la localización de la función de onda en diferentes subredes de grafeno. Pero en el caso de una zona plana, esta función de onda se localiza en una sola red, por lo que la interferencia desaparece.
También se observó la aparición de una segunda banda plana a una energía de interacción de 150 meV. Sin embargo, si bien los científicos no pueden explicar claramente la naturaleza de su ocurrencia. Por un lado, esto puede deberse a la coincidencia de intensidad en diferentes regiones de capas de grafeno. Por otro lado, esto puede ser el resultado de la renormalización debido a los efectos de muchos cuerpos, que a menudo se encuentran en el grafeno monocapa.
El estudio mostró que cambios insignificantes en el nivel de energía de interacción pueden afectar significativamente el estado de la superficie de Fermi (a 235 meV - la forma de la media luna y a 255 meV - la forma del disco). En este caso, el número de posibles canales de dispersión aumenta significativamente.
También es importante tener en cuenta que para un estudio detallado de la superconductividad, es necesario acercar las zonas planas al nivel de Fermi lo más posible. Entonces, uno de los métodos puede ser la introducción de una gran cantidad de portadores de carga en la capa de grafeno mediante la intercalación de Ca y la deposición de K. Esto conduce a la formación de una singularidad unidimensional de Van Hove.
Puede familiarizarse con el estudio con más detalle utilizando el
informe de los investigadores y
materiales adicionales .
Epílogo
Los científicos pudieron demostrar que las manipulaciones con subredes y capas intermedias de la estructura del grafeno multicapa permiten controlar la forma y las características de una zona plana. Según los investigadores, el uso de esta habilidad junto con el método de enlaces mejorados electrón-fonón ayudará en el futuro a obtener superconductores cuyas propiedades se conservarán a temperaturas significativamente más altas que ahora.
Los superconductores son de gran importancia. Ya se utilizan en muchas tecnologías, desde interferómetros cuánticos superconductores hasta escáneres de resonancia magnética. El estudio adicional de los superconductores, sus propiedades, los métodos para su preparación y la mejora de sus cualidades no solo mejorarán el mundo moderno, sino que también lo harán un poco futurista.
Gracias por quedarte con nosotros. ¿Te gustan nuestros artículos? ¿Quieres ver más materiales interesantes?
Apóyenos haciendo un pedido o recomendándolo a sus amigos, un
descuento del 30% para los usuarios de Habr en un análogo único de servidores de nivel de entrada que inventamos para usted: toda la verdad sobre VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 núcleos) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps de $ 20 o cómo dividir el servidor? (las opciones están disponibles con RAID1 y RAID10, hasta 24 núcleos y hasta 40GB DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 núcleos) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hasta diciembre de forma gratuita al pagar por un período de seis meses, puede ordenar
aquí .
Dell R730xd 2 veces más barato? Solo tenemos
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV desde $ 249 en los Países Bajos y los EE. UU. Lea sobre
Cómo construir un edificio de infraestructura. clase utilizando servidores Dell R730xd E5-2650 v4 que cuestan 9,000 euros por un centavo?