Dekoriertes Graphen wird zum Supraleiter
Dünne Schicht aus Lithium hilft Elektronen auf die Sprünge.
Seit es vor elf Jahren erstmals gelang, Graphen zu präparieren, wurden viele erstaunliche Eigenschaften des zweidimensionalen Gitters aus Kohlenstoffatomen entdeckt – Supraleitung gehörte bisher nicht zu ihnen. Nun konnten Wissenschaftler der University of British Columbia (UBC) in Vancouver mit ihren Kollegen vom Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung nach Dekoration einer Monolage Graphen mit Lithiumatomen erstmals den supraleitenden Zustand für das „ moderne Wundermaterial“ nachweisen.
Abb.: Die Lithiumschicht auf einer Monolage Graphen verändert die Zustandsdichte der Phononen im Graphen und verstärkt die Elektron-Photon-Kopplung, so dass es bei niedrigen Temperaturen zur Supraleitung kommt. (Bild: Andrea Damascelli)
Dazu wurden im Ultrahochvakuum bei 8 Kelvin Lithiumatome auf eine zunächst durch epitaktisches Wachstum auf Siliziumcarbid präparierte Graphenlage aufgebracht und mit Hilfe winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie (ARPES, engl. angle-resolved PES) untersucht. Die Analyse erlaubt die Bestimmung der Energie-Impulsbeziehung von Elektronen im Festkörper und lässt Aussagen über die Bandstruktur und die besetzte Zustandsdichte im Festkörper zu.
Die Messungen zeigten, wie mit fortschreitender Zeit der Lithiumbedampfung die Ladungsträgerdichte zunimmt. Ferner fanden die Forscher heraus, dass die Elektronen bei ihrer Reise durch das Kristallgitter langsamer wurden – ein Effekt, den sie einer verstärkten Elektron-Phonon-Kopplung zuschrieben. Durch die Identifizierung einer Energielücke zwischen Leitungs- und Nichtleitungselektronen im Material konnte gezeigt werden, wie diese stärkere Kopplung zur Supraleitung führt. Den Messungen zur Folge liegt diese Lücke, die der zum Aufbrechen von Cooperpaaren erforderlichen Energie entspricht, bei 0,9 meV. Daraus ergibt sich einen Sprungtemperatur von 5,9 Kelvin.
Abb.: Andrea Damascelli, Direktor des Quantum Matter Institute (QMI). (Bild: UBC)
Für Andrea Damascelli, Direktor des Quantum Matter Institute der UBC, betont dieses Ergebnis die Nützlichkeit von Graphen als Modellsystem zur Untersuchung quantenmechanischer Phänomene und zeigt gleichzeitig auf, wie eine Vielzahl elektronischer Bausteine mit Hilfe eines einzigen Substrats verbunden werden können.
UBC / LK
