El grafeno se hace superconductor

El grafeno es una lámina de carbono de un solo átomo de grosor dispuesta en forma de red o panal hexagonal. Los electrones en el grafeno adoptan un estado electrónico especial llamado cono de Dirac, donde se comportan como si no tuvieran masa. Esto les permite fluir a muy altas velocidades, proporcionando al grafeno un nivel muy elevado de conductividad eléctrica.

Esto es importante porque los electrones sin masa y fluyendo sin resistencia en el grafeno podrían llevar a la consecución en última instancia de un nanodispositivo electrónico de alta velocidad.

Un equipo de científicos de la Tohoku University y de la University of Tokyo ha desarrollado un método para hacer crecer grafeno de alta calidad en un cristal de carburo de silicio (SiC) mediante el control del número de láminas de grafeno. El equipo fabricó grafeno bicapa con este método y después insertó átomos de calcio (Ca) entre las dos capas de grafeno, como un sándwich.

Midieron entonces la conductividad eléctrica y hallaron que la resistividad eléctrica desciende rápidamente alrededor de los 4 K de temperatura (-269 °C), lo que indica la aparición de superconductividad.

El equipo también encontró que ni el grafeno bicapa genuino ni una bicapa de grafeno con litio intercalado muestran superconductividad, lo que indica que esta está controlada por la transferencia de electrones desde los átomos de calcio hacia las láminas de grafeno.

Se espera que el logro de fabricar grafeno superconductor tenga un gran impacto tanto para la investigación básica como para la aplicada en relación a este material.

Estructura cristalina de una bicapa de grafeno intercalada con calcio sobre sustrato de SiC. Es la inserción de los átomos de calcio entre las dos capas de grafeno lo que causa la superconductividad. (Foto: Takashi Takahashi)

Temperatura de transición del grafeno superconductor

Actualmente no está claro qué fenómeno tiene lugar cuando los electrones de Dirac sin masa se convierten en superconductores sin resistencia. Pero en base a los últimos resultados del estudio, futuras investigaciones experimentales y teóricas podrían ayudar a poner de manifiesto las propiedades del grafeno superconductor.

La temperatura de transición superconductora observada en este estudio sobre una bicapa de grafeno intercalada con calcio aún es baja (4 K). Esto invita a nuevos estudios para incrementarla, por ejemplo, reemplazando el calcio con otros metales y aleaciones, o cambiando el número de láminas de grafeno.

Desde el punto de vista de las aplicaciones, los últimos resultados abren el camino hacia un mayor desarrollo de nanodispositivos superconductores de velocidad ultra elevada, como los dispositivos de computación cuántica, que utilicen grafeno superconductor en su circuito integrado. (Fuente: NCYT Amazings)