Figura 1. Estrutura cristalina de grafeno de bicamada intercalada de Ca fabricado em substrato de SiC. A inserção de átomos de Ca entre duas camadas de grafeno causa a supercondutividade.
O grafeno é uma folha de carbono atômico único com uma rede hexagonal em forma de favo de mel (Fig. 1). Os elétrons no grafeno assumem um estado eletrônico especial chamado Dirac-cone, onde se comportam como se não tivessem massa. Isso permite que eles fluam em alta velocidade, dando ao grafeno um nível muito alto de condutividade elétrica.
Isso é significativo porque os elétrons sem massa fluindo sem resistência no grafeno podem levar à realização de um dispositivo nanoeletrônico de alta velocidade.
A equipe colaborativa da Tohoku University e da University of Tokyo desenvolveu um método para cultivar grafeno de alta qualidade em um cristal de carboneto de silício (SiC) controlando o número de folhas de grafeno. A equipe fabricou grafeno de duas camadas com este método e, em seguida, inseriu átomos de cálcio (Ca) entre as duas camadas de grafeno como um sanduíche (Fig. 1).
Eles mediram a condutividade elétrica com o método de microssonda de quatro pontos e descobriram que a resistividade elétrica cai rapidamente em torno de 4 K (-269 ° C), indicativo de um surgimento de supercondutividade (Fig. 2).
A equipe também descobriu que nem o grafeno de bicamada genuíno nem o grafeno de bicamada intercalado com lítio mostram supercondutividade, indicando que a supercondutividade é impulsionada pela transferência de elétrons dos átomos de Ca para as folhas de grafeno.
Espera-se que o sucesso na fabricação de grafeno supercondutor tenha um grande impacto nas pesquisas básicas e aplicadas do grafeno.
Fig.2 Dependência da temperatura da resistividade elétrica do grafeno de bicamada intercalada com Ca, medido pelo método de microssonda de quatro pontos (inserção). A resistividade mostra uma rápida diminuição em cerca de 4 K e atinge "zero" em 2 K, mostrando o surgimento da supercondutividade.
Atualmente não está claro qual fenômeno ocorre quando os elétrons de Dirac sem massa se tornam supercondutores sem resistência. Mas, com base nos resultados do estudo mais recente, mais investigações experimentais e teóricas ajudariam a desvendar as propriedades do grafeno supercondutor.
A temperatura de transição supercondutora (Tc) observada neste estudo no grafeno de bicamada intercalada com Ca ainda é baixa (4 K). Isso leva a mais estudos sobre as maneiras de aumentar a Tc, por exemplo, substituindo Ca por outros metais e ligas, ou alterando o número de folhas de grafeno.
Do ponto de vista da aplicação, os resultados mais recentes abrem caminho para o desenvolvimento de dispositivos nano supercondutores de velocidade ultra-alta, como um dispositivo de computação quântica, que utiliza grafeno supercondutor em seu circuito integrado.
