超导体是一种材料，当它们冷却到一定的临界温度以下时，可以零电阻导电。它们在几个领域都有应用，包括磁共振成像、粒子加速器、电力和量子计算。然而，由于需要极低的温度，它们的广泛使用受到限制。石墨烯基材料由于其独特的性能，如光学透明性、机械强度和柔韧性，有望成为超导体。石墨烯是单层碳(C)原子排列成二维蜂窝结构。其中，石墨烯-钙(Ca)化合物(C6CaC6)的临界温度最高。在这种化合物中，在两个石墨烯层之间引入一层钙，这一过程被称为嵌入。虽然这种材料已经具有很高的临界温度，但一些研究表明，通过引入高密度Ca，临界温度和超导性可以进一步增强。
C6CaC6是通过在碳化硅(SiC)衬底上生长两层石墨烯，然后暴露于Ca原子，从而导致Ca在层之间嵌入而制备的。然而，高密度Ca的插入可以导致C6CaC6临界温度的变化。特别是，它可以导致在底部石墨烯层和SiC的界面上形成金属层，这种现象称为限制外延。该层可以显著影响顶部石墨烯层的电子性能，如产生van Hove奇点(VHS)，从而增强C6CaC6的超导性。然而，这一现象的实验验证仍然缺乏。
在最近的一项研究中，由东京工业大学物理系助理教授Satoru Ichinokura领导的一组来自日本的研究人员实验研究了高密度Ca引入C6CaC6的影响。Ichinokura说:“我们通过实验发现，高密度Ca的引入在界面处诱导了显著的插层，导致C6CaC6下面的Ca层的限制外延，从而产生VHS并增强其超导性。”他们的研究于2024年5月13日在线发表在ACS Nano上。
研究人员制备了不同Ca密度的C6CaC6样品，并研究了它们的电子特性。结果表明，在高Ca密度下，底部石墨烯层与SiC之间形成的界面金属层确实导致了VHS的出现。此外，研究人员还比较了有和没有界面Ca层的C6CaC6结构的性能，揭示了该层的形成导致了VHS临界温度的升高。他们进一步发现，VHS通过两种机制提高临界温度。第一种是电子和声子(与振动相关的粒子)之间的间接吸引相互作用，第二种是电子和空穴(移动电子留下的空白空间)之间的直接吸引相互作用。这些发现表明，通过引入高密度Ca，可以在更高的温度下获得超导性，从而有可能扩大C6CaC6在各个领域的适用性。
Ichinokura强调了这种材料的潜在应用，他说:“石墨烯-钙化合物是一种由常见元素组成的低维材料，将有助于量子计算机的集成和普及。有了量子计算，复杂系统的大规模和高速计算将成为可能，使能源系统朝着碳中和的方向优化，并通过直接模拟原子和分子反应显著提高催化剂开发和药物发现的效率。”
总的来说，本研究的实验结果可以导致C6CaC6超导体性能增强，在关键领域具有广泛的适用性。
参考
作者:一仓聪
1*, Kei Tokuda
1丰田正幸
1田中清久
2斋藤进
1平原彻(Toru Hirahara)
1题目:Van Hove奇点和增强型Superco
Co诱导钙嵌层石墨烯的电导率
细化外延学报:ACS纳米DOI: 10.1021/acsnano。4c01757所属单位:
1日本东京工业大学物理系
2日本分子科学研究所UVSOR设施
