Estudo investiga o aumento da supercondutividade de supercondutores de grafeno-cálcio
As descobertas do estudo revelam a importância das interações interfaciais para alcançar supercondutividade em alta temperatura em materiais compósitos. Crédito:Tokyo Tech Supercondutores são materiais que podem conduzir eletricidade com resistência zero quando resfriados abaixo de uma determinada temperatura crítica. Eles têm aplicações em diversos campos, incluindo ressonância magnética, aceleradores de partículas, energia elétrica e computação quântica. No entanto, a sua utilização generalizada é limitada pela necessidade de temperaturas extremamente baixas.
Os materiais à base de grafeno são promissores para supercondutores devido às suas propriedades únicas, como transparência óptica, resistência mecânica e flexibilidade. O grafeno é uma camada única de átomos de carbono (C) dispostos em uma estrutura bidimensional em favo de mel. Dentre esses materiais, o composto grafeno-cálcio (C6 CaC6 ) exibe a temperatura crítica mais alta. Neste composto, uma camada de cálcio é introduzida entre duas camadas de grafeno em um processo denominado intercalação.
Embora este material já tenha altas temperaturas críticas, alguns estudos mostraram que as temperaturas críticas e, portanto, a supercondutividade podem ser ainda melhoradas através da introdução de Ca de alta densidade.
C6 CaC6 é preparado pelo cultivo de duas camadas de grafeno em um substrato de carboneto de silício (SiC) seguido de exposição a átomos de Ca, o que leva à intercalação de Ca entre as camadas. No entanto, espera-se que a intercalação com Ca de alta densidade possa levar a variações na temperatura crítica de C6 CaC6 .
Particularmente, pode levar à formação de uma camada metálica na interface da camada inferior de grafeno e SiC, fenômeno denominado epitaxia de confinamento. Esta camada pode influenciar significativamente as propriedades eletrônicas da camada superior de grafeno, como dar origem a uma singularidade de van Hove (VHS), que pode aumentar a supercondutividade do C6 CaC6 . No entanto, ainda falta a validação experimental deste fenômeno.
Em um estudo recente, uma equipe de pesquisadores do Japão, liderada pelo professor assistente Satoru Ichinokura, do Departamento de Física do Instituto de Tecnologia de Tóquio, investigou experimentalmente o impacto da introdução de Ca de alta densidade em C6 CaC6 .
"Revelamos experimentalmente que a introdução de Ca de alta densidade induz intercalação significativa na interface, levando à epitaxia de confinamento de uma camada de Ca abaixo de C6 CaC6 , que dá origem ao VHS e aumenta sua supercondutividade", diz Ichinokura. O estudo foi publicado online no ACS Nano em 13 de maio de 2024.
Os pesquisadores prepararam diferentes amostras de C6 CaC6 , com densidades variadas de Ca, e investigou suas propriedades eletrônicas. Os resultados revelaram que a camada metálica interfacial formada entre a camada inferior de grafeno e o SiC, em altas densidades de Ca, de fato leva ao surgimento de VHS.
Além disso, os pesquisadores também compararam as propriedades do C6 CaC6 estruturas com e sem camada interfacial de Ca, revelando que a formação desta camada leva ao aumento da temperatura crítica através do VHS. Eles descobriram ainda que o VHS aumenta as temperaturas críticas através de dois mecanismos.
A primeira é uma interação atrativa indireta entre elétrons e fônons (partículas associadas a vibrações) e a segunda é uma interação atrativa direta entre elétrons e buracos (espaços vazios deixados pelos elétrons em movimento). Estas descobertas sugerem que, ao introduzir Ca de alta densidade, a supercondutividade pode ser obtida em temperaturas mais altas, ampliando potencialmente a aplicabilidade do C6 CaC6 em vários campos.
Destacando as aplicações potenciais deste material, Ichinokura observa:“O composto grafeno-cálcio, sendo um material de baixa dimensão composto por elementos comuns, contribuirá para a integração e popularização dos computadores quânticos.
"Com a computação quântica, serão possíveis cálculos em grande escala e alta velocidade de sistemas complexos, permitindo a otimização de sistemas energéticos em direção à neutralidade de carbono e melhorando drasticamente a eficiência do desenvolvimento de catalisadores e da descoberta de medicamentos através da simulação direta de reações atômicas e moleculares."
No geral, as descobertas experimentais deste estudo podem levar a C6 CaC6 supercondutores com propriedades aprimoradas e ampla aplicabilidade em campos críticos.
