Cientistas do HZB encontraram evidências de que camadas duplas de grafeno têm uma propriedade que pode permitir que conduzam corrente completamente sem resistência. Eles sondaram a estrutura da banda em BESSY II com ARPES de resolução extremamente alta e puderam identificar uma área plana em um local surpreendente. A pesquisa deles é publicada em Avanços da Ciência .

Os átomos de carbono podem formar ligações de várias maneiras. O carbono puro pode, portanto, ocorrer em muitas formas, incluindo diamante, grafite, nanotubos, moléculas de futebol ou como uma rede em favo de mel com malhas hexagonais, conhecido como grafeno. Tão exótico, o material estritamente bidimensional conduz bem a eletricidade, mas não é um supercondutor. Mas talvez isso possa ser mudado.

Uma opção complicada para supercondutividade

Em abril de 2018, um grupo do MIT nos EUA mostrou que é possível gerar uma forma de supercondutividade em um sistema de duas camadas de grafeno sob condições muito específicas. Para fazer isso, as duas redes hexagonais devem ser torcidas uma contra a outra em um ângulo de 1,1 grau. Sob esta condição, uma faixa plana se forma na estrutura eletrônica. A preparação de amostras de duas camadas de grafeno com uma torção exatamente ajustada é complexa, e não é adequado para produção em massa. No entanto, o estudo atraiu muita atenção entre os especialistas.

A maneira simples de bandas planas

Mas há mais um, maneira muito mais simples de formação de banda plana. Isso foi demonstrado por um grupo no HZB em torno do Prof. Oliver Rader e do Dr. Andrei Varykhalov com investigações no BESSY II.

As amostras foram fornecidas pelo Prof. Thomas Seyller, TU Chemnitz. Lá eles são produzidos por um processo que também é adequado para a produção de áreas maiores e em grandes quantidades:um cristal de carboneto de silício é aquecido até que os átomos de silício evaporem da superfície, deixando primeiro uma única camada de grafeno na superfície, e, em seguida, uma segunda camada de grafeno. As duas camadas de grafeno não estão torcidas uma contra a outra, mas deitem exatamente um em cima do outro.

Varredura da estrutura de banda com ARPES

Na BESSY II, os físicos são capazes de escanear a chamada estrutura de banda da amostra. Essa estrutura de banda fornece informações sobre como os portadores de carga são distribuídos entre os estados permitidos pela mecânica quântica e quais portadores de carga estão disponíveis para transporte. A espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES) no BESSY II permite tais medições com resolução extremamente alta.

Por meio de uma análise exata da estrutura da banda, eles identificaram uma área que havia sido negligenciada anteriormente. "A camada dupla de grafeno já foi estudada antes porque é um semicondutor com um gap, "explica Varykhalov." Mas no instrumento ARPES em BESSY II, a resolução é alta o suficiente para reconhecer a área plana próxima a este gap. "

"É uma propriedade supervisionada de um sistema bem estudado, "diz o primeiro autor, Dr. Dmitry Marchenko." Era anteriormente desconhecido que existe uma área plana na estrutura da banda em um sistema tão simples e bem conhecido. "

Esta área plana é um pré-requisito para a supercondutividade, mas apenas se estiver situado exatamente na chamada energia de Fermi. No caso do grafeno de duas camadas, seu nível de energia é apenas 200 mili-elétron-volts abaixo da energia de Fermi, mas é possível elevar o nível de energia da área plana à energia de Fermi, seja por dopagem com átomos estranhos ou pela aplicação de uma voltagem externa, a chamada tensão de porta.

Os físicos descobriram que as interações entre as duas camadas de grafeno e entre o grafeno e a rede de carboneto de silício são conjuntamente responsáveis ​​pela formação da área de banda plana. "Podemos prever esse comportamento com muito poucos parâmetros e poderíamos usar esse mecanismo para controlar a estrutura da banda, "acrescenta Oliver Rader.