Далеко не всегда, открыв какое-то вещество, ученые сразу же понимают все его свойства. Совершенствование технологий, в том числе и методик, техник и способов проведения исследований открывают новые возможности перед учеными, желающими понять что и как работает вокруг нас. Сегодня мы с вами познакомимся с тем, как исследователи узнали, что графен вполне может обладать свойствами сверхпроводника. Сверхпроводимость изучается еще с начала прошлого века, и доселе ученым не известны все аспекты этого физического явления. Как именно исследовательской группе удалось «перенастроить» графен, какие результаты показали эксперименты и что ждать в будущем от исследования? Доклад ученых поможет нам найти ответы на эти вопросы. Поехали.

Основа исследования

Для начала, буквально в двух словах, напомним сами себе что есть графен и с чем его едят, так сказать.

Графен, в первую очередь, это двумерная структура, состоящая из единственного слоя атомов углерода. Другими словами это монослой графита (основного источника графена).

Графен обладает достаточно уникальными электрохимическими свойствами, что делает его идеальным кандидатом на главную роль в различных исследованиях и как возможная основа будущих технологий.

В лабораторных условиях графен получают весьма сложным, трудоемким и, требующим невероятной точности, способом. Зато таким образом можно получить самый, так сказать, качественный продукт. Основой этого способа является механическое воздействие на высокоориентированный пиролитический графит.

В данном же исследовании используется не монослойный графен (MLG), а двухслойный (BLG). Так как этот материал обладает интересным физическим свойством — запрещенной зоной*, возникающей, когда между двумя слоями графена формируется асимметрия.

Запрещенная зона* — диапазон значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном кристалле. Разделяют 3 основных типа твердых тех по показателям запрещенной зоны (эВ — электрон-вольт): металлы — запрещенной зоны нет, полупроводники — до 3-4 эВ и диэлектрики — свыше 4-5 эВ.

Запрещенная зона двухслойного графена образуется за счет сингулярности Ван Хова.

Основная проблема сверхпроводников заключается в том, что они являются таковыми при достаточно низких температурах. Ученые же пытаются поднять граничную температуру до комнатной. Исследователи приводят в пример C₆CaC₆, способный сохранять сверхпроводимость при температуре 4 K (-269.15 °C), а это, как вы понимаете, от комнатной температуры далековато.

Возможный ответ на вопрос температуры кроется в сочетании двумерного графена с другими подобными материалами. Исследователи обращают наше внимание на теорию БКШ, которая описывает возможность связи между электронами с противоположными спинами и импульсами. При обмене фотонами, находясь у поверхности Ферми, электроны начинают притягиваться друг к другу. Таким образом могут образоваться электронные пары, которые по теории не будут взаимодействовать с одиночными электронами или решеткой, то есть пары будут двигаться без потери энергии. Таким образом, граничную температуру сверхпроводника можно повысить за счет увеличения константы взаимодействия (U) или же плотности состояний на уровне Ферми n(EF). У графена и графита же плотность электронных состояний на уровне Ферми достаточно низка. При этом имеется прямая зависимость от уровня энергии. И тут уже можно применить теорию о плоских зонах. Изменить значение константы взаимодействия пока еще очень сложно, заявляют исследователи, но вот n(EF) увеличить можно именно посредством плоских зон.

Детальнее о плоских зонах рассказано в этой работе.

В исследовании, которое мы с вами сегодня изучаем, ученые решили испытать новый способ «сплющить» электронные зоны графена и увеличить плотность электронных состояний систем, у которых эта самая плотность очень низка.

Материальной основой исследования стал двухслойный графен на карбиде кремния (SiC), который, к слову, является соединением кремния и углерода. Методом сбора данных стала фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES).


Схема установки ARPES.

А теперь давайте узнаем, что же у исследователей получилось?

Результаты исследования

Изображение №1

На изображениях выше показаны данные, собранные с помощью ARPES, а именно — данные образца 6H-SiC с покрытием из 1.2 монослойного графена (MLG).


6H-SiC — один из политипов карбида кремния (структура с различным порядком укладки слоев, то есть составные элементы те же, но у разных типов расположены иначе).

Ожидалось, что использование монослоя приведет к доминированию дисперсии (конусы Дирака) над слабо интенсивной двухслойной дисперсией. Однако, при уровне энергии взаимодействия в 255 мэВ (миллиэлектронвольт) наблюдается достаточно выраженная плоская зона. На изображении 1а, 1b и 1с положение этой зоны отмечено белой стрелкой.

Наличием 1.2 монослоя графена обусловлен факт того, что интенсивность фотоэмиссии BLG примерно в 4 раза меньше, чем у зон MLG. А интенсивность плоской зоны BLG, наоборот, в 3 раза выше, чем у зон MLG. Ученые заявляют, что подобные наблюдения можно встретить в исследованиях предшественников, но ранее настолько детально их не рассматривали.

Использование ARPES дало возможность также заметить и незначительную плоскую зону (синяя стрелка на 1b), возникающую при энергии взаимодействия 150 мэВ и изломом дисперсии в диапазоне энергии 150…160 мэВ.

Далее исследователи решили проанализировать распределение интенсивности фотоэмиссии. Для этого была изучена трехмерная «карта» вокруг точки К образца. Анализ показал, что видны лишь половина монослоя (конусы Дирака) и лишь половина дисперсии двухслойного графена, что связано с пагубной интерференцией от двух графеновых подрешеток. Также видно, что плоская зона распределена равномерно по обе стороны от точки К, что крайне необычно, учитывая интерференцию фотоэмиссии графена.

На изображении 1d показаны два состояния поверхности Ферми, взятые из 1а при энергии взаимодействия 235 и 255 мэВ. Разница в 20 мэВ очень мала для ARPES, но ее хватило, чтобы увидеть значительные изменения в поверхности Ферми. При 235 мэВ мы видим подобие «полумесяца» из-за модуляции интенсивности за счет воздействия интерференции фотоэмиссии. А вот при 255 мэВ мы уже видим «диск» без модуляции.

График 1е (1fдля области вокруг точки К)показывает насколько сильна интерференция фотоэмиссии плоской зоны. А на графике 1g показаны уже результаты замеров дисперсии.

Теория функционала плотности

Для дальнейшего анализа были проведены расчеты по теории функционала плотности над монослойным, двухслойным и трехслойным графеном.


Изображение №2

На изображении 2а показано сравнение расчетов дисперсии у монослойного графена (синий цвет) и двухслойного (красный). Расчетные данные и экспериментальные касательно общей картины отличий монослойной и двухслойной структуры, а также наличие высокого уровня плотности состояний (2b) совпадают практически идеально.

Важным наблюдением также является область возникновения плоской зоны. Как видно из изображения 2а, плоская зона возникает не только в самом верхнем слое графена в исследуемой двухслойной структуре, но и в подрешетке также. Подобный эффект наблюдался также и при исследовании структуры графен + Ni(111).

Вернемся к графику 2b еще раз. На нем мы видим две сингулярности плотности состояний на краях слоя, между которыми явно виден разрыв. Таким образом, пики плотности состояний соответствуют сингулярностям Ван Хова.

Отдельного внимания ученых заслужила и подложка из SiC, точнее вопрос того, насколько сильно ее влияние на состояние двухслойного или монослойного графена. На изображениях 2е и 2f представлены результаты проверки. Желтым цветом отмечены изоповерхности, где имеется процесс получения заряда, а светло-синие — потери заряда. Тут мы видим, что подрешетки верхнего слоя графена (А и В) и подрешетка нижнего слоя графена (А) практически никак не реагируют, демонстрируя лишь незначительную асимметрию зарядов ввиду взаимодействия с подложкой из SiC. В то время как подрешетка С, являющаяся частью нижнего слоя графена, сильно затрагивается взаимодействием между графеном и SiC. Дабы лучше понять о каких таких подрешетках идет речь, обратите внимание на изображение 2d, на котором графически показаны все слои испытуемого образца. На вставке внизу справа мы видим как расположены подрешетки А, В и С.

Ученые также провели анализ формирования плоских зон в системах с другой упорядоченностью (например, ферромагнетики). Как оказалось, в таких системах плоские зоны также проявляют нестабильность, а сверхпроводимость будет преобладать над ферромагнетизмом в том случае, если плоская зона будет достаточно близка к уровню Ферми. Подобные наблюдения можно проецировать и на нынешнее исследование, как говорят ученые.

Выводы исследователей

В первую очередь ученые отмечают, что хоть двумерное расширение в структуре относительно точки К и отвечает за высокий уровень интенсивности фотоэмиссии, оно не является основной причиной возникновения плоской зоны. Если бы это расширение имело значительный вес в данном процессе, то во время экспериментов были бы видны эффекты сужения и усиления интенсивности и в других зонах двухслойного графена вокруг точки К, но этого не наблюдалось.

Наблюдается исчезновение интерференции в области плоской зоны (изображение 1с), за счет чего формируется дискообразная поверхность Ферми при значении энергии взаимодействия в 255 мэВ. Это уникальный феномен, тем более для графена. Интерференция возникает из-за локализованности волновой функции на разных графеновых подрешетках. Но в случае плоской зоны эта волновая функция локализуется на одной лишь подрешетке, за счет чего и пропадает интерференция.

Также было замечено возникновение второй плоской зоны при энергии взаимодействия в 150 мэВ. Однако пока ученые не могут однозначно пояснить природу ее возникновения. С одной стороны это может быть связано с совпадением интенсивности в разных областях графеновых слоев. С другой стороны это может быть результатом ренормализации из-за эффектов многих тел, что часто встречается именно у монослойного графена.

Исследование показало, что незначительные изменения уровня энергии взаимодействия могут значительно повлиять на состояние поверхности Ферми (при 235 мэВ — форма полумесяца и при 255 мэВ — форма диска). В таком случае значительно увеличивается число возможных каналов рассеяния.

Важно также отметить, что для детального изучения сверхпроводимости необходимо максимально приблизить плоские зоны к уровню Ферми. Так, одним из методов может быть внедрение большого числа носителей заряда в слой графена путем интеркаляции Ca и осаждения K. Это приводит к формированию одномерной сингулярности Ван Хова.

Детальнее с исследованием вы можете ознакомиться с помощью доклада исследователей и дополнительных материалов к нему.

Эпилог

Ученым удалось доказать, что манипуляции с подрешетками и промежуточными слоями структуры многослойного графена дают возможность контролировать форму и характеристики плоской зоны. По словам исследователей, использование этого умения в сопряжении с методом усиленных электрон-фононных связей поможет в будущем получить сверхпроводники, свойства которых будут сохраняться при значительно более высоких температурах, чем сейчас.

Сверхпроводники имеют огромное значение. Уже сейчас они используются во многих технологиях, начиная от сверхпроводящих квантовых интерферометров, заканчивая сканерами МРТ. Дальнейшее изучения сверхпроводников, их свойств, методов их получения и совершенствования их качеств позволит не только усовершенствовать современный мир, но и сделать его немного футуристичнее.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до декабря бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?