اپتیک و کوانتوم

مواد مبتنی بر گرافن به دلیل خواص منحصر به فردشان مانند شفافیت نوری، استحکام مکانیکی و انعطاف پذیری برای ابررساناها امیدوارکننده هستند. گرافن یک لایه منفرد از اتم های کربن (C) است که در یک ساختار لانه زنبوری دو بعدی قرار گرفته اند. در میان این مواد، ترکیب گرافن-کلسیم (C6CaC6) بالاترین دمای بحرانی را نشان می‌دهد. در این ترکیب لایه ای از کلسیم بین دو لایه گرافن در فرآیندی به نام intercalation وارد می شود. در حالی که این ماده در حال حاضر دماهای بحرانی بالایی دارد، برخی مطالعات نشان داده اند که دماهای بحرانی و بنابراین ابررسانایی را می توان از طریق معرفی کلسیم با چگالی بالا بیشتر افزایش داد.

C6CaC6 با رشد دو لایه گرافن بر روی یک بستر کاربید سیلیکون (SiC) و به دنبال آن قرار گرفتن در معرض اتم‌های کلسیم تهیه می‌شود که منجر به درهم‌آمیزی کلسیم بین لایه‌ها می‌شود. با این حال، انتظار می‌رود که تداخل با کلسیم با چگالی بالا می‌تواند منجر به تغییرات در دمای بحرانی C6CaC6 شود. به ویژه، می‌تواند منجر به تشکیل یک لایه فلزی در سطح مشترک لایه گرافن پایین و SiC شود، پدیده‌ای که اپیتاکسی محصور نامیده می‌شود. این لایه می تواند به طور قابل توجهی بر خواص الکترونیکی لایه گرافن بالایی تأثیر بگذارد، مانند ایجاد یک تکینگی ون هوو (VHS)، که می تواند ابررسانایی C6CaC6 را افزایش دهد. با این حال، اعتبار تجربی این پدیده هنوز وجود ندارد.

در یک مطالعه اخیر، تیمی از محققان ژاپنی به رهبری استادیار Satoru Ichinokura از دپارتمان فیزیک در موسسه فناوری توکیو به طور تجربی تاثیر ورود کلسیم با چگالی بالا به C6CaC6 را بررسی کردند. ایچینوکورا می‌گوید: «ما به‌طور تجربی نشان داده‌ایم که معرفی کلسیم با چگالی بالا باعث ایجاد تلاقی قابل‌توجهی در سطح مشترک می‌شود که منجر به محصور شدن یک لایه کلسیم در زیر C6CaC6 می‌شود، که باعث ایجاد VHS و افزایش ابررسانایی آن می‌شود.» مطالعه آنها به صورت آنلاین در ACS Nano در 13 می 2024 منتشر شد.

محققان نمونه های مختلفی از C6CaC6 را با چگالی های مختلف کلسیم تهیه کردند و خواص الکترونیکی آنها را بررسی کردند. نتایج نشان داد که لایه فلزی سطحی تشکیل شده بین لایه گرافن پایین و SiC، در تراکم های کلسیم بالا، در واقع منجر به ظهور VHS می شود. علاوه بر این، محققان همچنین خواص ساختارهای C6CaC6 را با و بدون لایه سطحی Ca مقایسه کردند و نشان دادند که تشکیل این لایه منجر به افزایش دمای بحرانی از طریق VHS می‌شود. آنها همچنین دریافتند که VHS دماهای بحرانی را از طریق دو مکانیسم افزایش می دهد. اولی یک برهمکنش جذاب غیرمستقیم بین الکترون ها و فونون ها (ذرات مرتبط با ارتعاشات) و دومی یک برهمکنش جذاب مستقیم بین الکترون ها و حفره ها است. این یافته‌ها نشان می‌دهد که با معرفی کلسیم با چگالی بالا، می‌توان ابررسانایی را در دماهای بالاتر به دست آورد، که به طور بالقوه کاربرد C6CaC6 را در زمینه‌های مختلف گسترش می‌دهد.

Ichinokura با برجسته کردن کاربردهای بالقوه این ماده، اظهار می کند: "ترکیب گرافن-کلسیم، به عنوان یک ماده با ابعاد کم که از عناصر مشترک تشکیل شده است، به ادغام و محبوبیت کامپیوترهای کوانتومی کمک می کند. با محاسبات کوانتومی، محاسبات در مقیاس بزرگ و با سرعت بالا سیستم‌های پیچیده امکان‌پذیر خواهد بود، که امکان بهینه‌سازی سیستم‌های انرژی در جهت خنثی‌سازی کربن و بهبود چشمگیر کارایی توسعه کاتالیزور و کشف دارو از طریق شبیه‌سازی مستقیم واکنش‌های اتمی و مولکولی را فراهم می‌کند. به طور کلی، یافته‌های تجربی این مطالعه می‌تواند منجر به ابررساناهای C6CaC6 با خواص پیشرفته و کاربرد گسترده در زمینه‌های بحرانی شود.

More information: Satoru Ichinokura et al, Van Hove Singularity and Enhanced Superconductivity in Ca-Intercalated Bilayer Graphene Induced by Confinement Epitaxy, ACS Nano (2024)