在最近的一项研究中，一组来自东京工业大学的日本科学家通过实验研究了在 C6CaC6 中引入高密度 Ca 以提高石墨烯超导性的效果。该研究在线发表于《ACS Nano》。
研究结果揭示了界面相互作用对于在复合材料中实现高温超导的重要意义。图片来源：东京工业大学
超导体是指冷却到特定临界温度以下时，导电阻抗为零的物质。磁共振成像、粒子加速器、电力和量子计算只是超导体应用的几个领域。
然而，对超低温的要求阻碍了它们的广泛应用。石墨烯基材料具有光学透明性、机械强度和柔韧性等特殊品质，可为超导体带来益处。
在二维蜂巢结构中排列的一层碳（C）原子被称为石墨烯。临界温度最高的材料是石墨烯-钙（Ca）化合物或 C6CaC6。在这种化合物中，两个石墨烯层之间增加了一层钙，这一过程被称为插层。虽然这种材料的临界温度已经很高，但一些研究表明，加入高密度的钙可以提高临界温度，从而提高超导性。
在碳化硅（SiC）基底上生长两层石墨烯，然后加入 Ca 原子，使 Ca 在石墨烯层之间发生插层，形成 C6CaC6。预计高密度 Ca 的插层可能会导致 C6CaC6 临界温度发生变化。特别是，在碳化硅和底部石墨烯层之间的界面上形成金属层的限制外延现象可能会由此产生。该层有可能极大地影响顶部石墨烯层的电子特性，例如导致范霍夫奇异性（VHS），从而提高 C6CaC6 的超导性。目前这种现象还没有得到足够的实验支持。
这项研究是在东京工业大学物理系助理教授 Satoru Ichinokura 的指导下进行的。
我们通过实验发现，高密度钙的引入会在界面上引起显著的插层现象，从而在 C6CaC6 的下方形成钙层的约束外延，这就产生了 VHS 并增强了其超导性。
Satoru Ichinokura，东京工业大学物理系助理教授
科学家们合成了不同钙密度的 C6CaC6 样品，并研究了它们的电气特性。研究结果表明，VHS 的出现是由于碳化硅和底部石墨烯层之间在高 Ca 密度时形成了界面金属层。据研究人员称，界面钙层的形成通过 VHS 提高了临界温度。研究人员比较了具有和不具有该层的 C6CaC6 结构的特性。
他们还发现，VHS 通过两种方式提高临界温度。首先，电子与称为声子的振动相关粒子之间存在间接的吸引力相互作用；其次，电子与空穴（电子在运动中留下的空隙）之间存在直接的吸引力相互作用。这些结果表明，添加高密度钙元素可以在更高温度下实现超导，这可能会扩大 C6CaC6 的应用范围。
石墨烯-钙化合物作为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，复杂系统的大规模高速计算将成为可能，通过直接模拟原子和分子反应，可以优化能源系统，实现碳中和，并显著提高催化剂开发和药物发现的效率。
Satoru Ichinokura，东京工业大学物理系助理教授
总之，这项研究的实验结果可能会使 C6CaC6 超导材料的特性得到改善，并在关键领域得到广泛应用。
Ichinokura, S., et al. (2024) Van Hove Singularity and Enhanced Superconductivity in Ca-Intercalated Bilayer Graphene Induced by Confinement Epitaxy. ACS Nano. doi.org/10.1021/acsnano.4c01757.
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