Superconductores superdelgados

Por Francisco R. Villatoro, el 15 enero, 2016. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science

Dibujo20160115 Structure of single-layer NbSe2 on bilayer graphene nphys3527-f1

Una capa bidimensional de diseleniuro de niobio (NbSe2) tiene pocos átomos de grosor. El español Miguel M. Ugeda (nanoGUNE, San Sebastián, España) y varios colegas han descubierto que el NbSe2 bidimensional es superconductor con temperatura crítica Tc = 1,9 K, al menos cuando se crece encima de una bicapa de grafeno. Este superconductor superdelgado podría revolucionar las aplicaciones de la superconductividad. Hay que recordar que la mayoría de los superconductores 3D pierden dicha propiedad cuando se reduce su grosor hasta alcanzar capas 2D.

El artículo es Miguel M. Ugeda et al., “Characterization of collective ground states in single-layer NbSe2,” Nature Physics 12: 92–97 (2016), doi: 10.1038/nphys3527arXiv:1506.08460 [cond-mat.mes-hall]. Me enteré gracias a “Super-thin superconductor,” Nature 527: 279 (19 Nov 2015), doi: 10.1038/527279d.

Dibujo20160115 2 Superconductivity in single-layer NbSe2 on bilayer graphene nphys3527-f2

El NbSe2 tridimensional es superconductor con temperatura crítica Tc = 7,2 K. Se sabía que esta temperatura bajaba cuando el grosor del material se reducía, pero nadie había llegado a alcanzar el límite bidimensional, hasta ahora. El nuevo estudio muestra que la superconductividad se mantiene en el NbSe2 bidimensional con temperatura crítica Tc = 1,9 K. Todavía no se conoce la explicación de ambos fenómenos pero se cree que puede estar relacionada con la fase de tipo onda de densidad de carga (CDW, siglas en inglés de Charge Density Wave) que se observa en ambos casos. En esta fase electrónica conviven en el material ondas de electrones de baja masa efectiva (electrones ligeros) y de gran masa efectiva (electrones pesados). En el material tridimensional se observa por debajo de TCDW = 33K, pero su origen es controvertido.

Dibujo20160115 Electronic structure of single-layer NbSe2 on bilayer graphene nphys3527-f4

La estructura electrónica de la monocapa de NbSe2 ha sido determinada combinando las técnicas STS (Scanning Tunneling Spectroscopy) y ARPES (Angle-Resolved PhotoEmission Spectroscopy), ambas a baja temperatura. Destaca el pico a Vs = 0,5 V (marcada con C1 en la figura) y el mínimo a Vs = –0,2 V (marcado V1), por debajo del cual hay otro pico a Vs = –0,8 V. La estructura de bandas es muy diferente a la del NbSe2 tridimensional que presenta tres bandas que cruzan el nivel de Fermi (dos debidas al Nb y la tercera al Se). El NbSe2 3D no presenta salto de energía (bandgap), sin embargo, el NbSe2 2D presenta un bandgap entre –0,8 eV < E < –0,3 eV. Este valor puede estar influido por la presencia de la bicapa de grafeno sobre la que se ha crecido el NbSe2.

Dibujo20160115  ARPES spectra of NbSe2 films on BLG. a nphys3527-sf1

Futuros estudios tendrán que clarificar el papel de la fase de tipo onda de densidad de carga en la estructura de bandas y en la superconductividad del NbSe2 bidimensional. También habrá que estudiar la formación de pares de Cooper en este material. Y finalmente, habrá que clarificar el papel jugado por la bicapa de grafeno sobre la que se ha crecido la monocapa de NbSe2. Aún así, disponer de un material superconductor superdelgado promete gran número de aplicaciones futuras.

Dibujo20160115 Superconductivity in Ca-GL Ca-RGOL and Ca-GBNLs

Por cierto, la idea de que el grafeno decorado es un superconductor está siendo investigada con mucho ahínco. Se puede decorar (dopar) con litio, logrando un material superconductor con una Tc ≃ 5,9 K (Bart Ludbrook et al., “Evidence for superconductivity in Li-decorated monolayer graphene,” PNAS 112: 11795–11799 (22 Sep 2015), doi: 10.1073/pnas.1510435112arXiv:1508.05925 [cond-mat.supr-con]). También se puede decorar con calcio, logrando también una Tc ≃ 6 K (J. Chapman et al., “Superconductivity in Ca-doped graphene,” arXiv:1508.06931 [cond-mat.supr-con]). Más información en Edwin Cartlidge, “‘Decorated’ graphene is a superconductor,” Physics World, 28 Aug 2015, y Dexter Johnson, “Graphene “Decorated” With Lithium Becomes a Superconductor,” IEEE Spectrum, 01 Sep 2015.



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Por Francisco R. Villatoro, publicado el 15 enero, 2016
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