Supraleitend dank magischem Winkel

Zweidimensionale Materialien zeigen drastisch andere physika­lische Eigen­schaften als drei­dimen­sionale Fest­körper aus den gleichen Substanzen. Die ein Drittel Nano­meter dünnen Graphen­schichten aus Kohlen­stoff etwa sind deut­lich zug­fester als die härtesten Stähle und leiten Elek­tronen besser als jedes Metall. Jetzt gelang es Forschern in den USA, Graphen über eine geschickte Stape­lung zweier Schichten zu einem Supra­leiter zu ver­wandeln. Diese Ent­deckung soll das bisher unge­löste Phänomen der unkon­ven­tio­nellen Supra­leitung von kera­mischen Cuprat-Ver­bin­dungen lösen helfen. Auch ein Einsatz für supra­leitende Qubits in einem zukünf­tigen Quanten­computer sei nach Aus­sage der Forscher vor­stell­bar.

Pablo Jarillo-Herrero vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge konnte gemein­sam mit Kollegen der Harvard Univer­sity und vom japa­nischen Institut für Material­wissen­schaften in Tsukuba erst­mals Supra­leitung an einem reinen Kohlen­stoff­material nach­weisen. Für ihre Experi­mente nutzten sie winzige Flocken aus Graphen. Diese Flocken hafteten an einem mit Silikon­kunst­stoff und einer zwei­dimen­sio­nalen Bornitrid-Lage beschich­teten Glas­träger. Damit konnten die Forscher zwei Graphen­schichten kontrol­liert über­ein­ander legen.

Das Besondere daran: Die Wissenschaftler verdrehten die Graphen­schichten mit ihrer streng symme­trischen waben­förmigen Anord­nung der Kohlen­stoff­atome um einen „magischen Winkel“ von 1,1 bis 1,3 Grad. Dieses kombi­nierte System zeigte mehrere uner­wartete elektro­nische Eigen­schaften. Um diese genauer zu analy­sieren, kontak­tierten die Forscher das ver­drehte Graphen-Sand­wich mit Elek­troden aus Gold und Chrom. Heraus­ragend war der Nach­weis der Supra­leitung bei einer Sprung­tempe­ratur von 1,7 Kelvin. Zuvor ent­deckten die Forscher korre­lierte, iso­lie­rende Zustände in der Sand­wich-Struktur. Nach einer elektro­statischen Auf­ladung wandelten sich die elektro­nischen Zustände und eine supra­leitende Phase ent­stand.

So zeigte sich, dass sich die elektronischen Eigenschaften dieses zwei­dimen­sio­nalen Materials mit elek­trischen Feldern gezielt ver­ändern lassen. Die genauen Ursachen für dieses Ver­halten liegen bisher noch im Dunkeln. Die Forscher ver­muten aber, dass die Ver­drehung der Graphen­schichten um einen magischen Winkel einen großen Ein­fluss auf die Band­struktur und damit die Beweg­lich­keit von Elek­tronen zwischen oder um diese Schichten herum haben könnte.

„Unsere Arbeit bietet auch eine neue Plattform, um die Wechsel­wirkung zwischen Elek­tronen und Quanten­effekte wie die unkon­ven­tio­nelle Supra­leitung zu unter­suchen“, sagt Jarillo-Herrero. Denn weitere Analysen der elektro­nischen Eigen­schaften offen­barten einige Paral­lelen zum Ver­halten von unkon­ven­tio­nellen Supra­leitern. Eine spezielle Kupfer­oxid-Keramik (Hg₁₂Tl₃Ba₃₀Ca₃₀Cu₄₅O₁₂₇) zählt mit einer Sprung­tempe­ratur bei 138 Kelvin zu den der­zeit „heißesten“ Hoch­tempe­ratur­supra­leitern. Die exakten Ursachen dieser wider­stands­losen Strom­leitung konnten bisher aber noch nicht ermittelt werden. Jarillo-Herrero ist zuver­sicht­lich, dass seine ver­drehten Graphen­schichten wichtige Beiträge zur Lösung dieses Problems liefern könnten.

Diese Versuche belegen abermals, dass zweidimensionale Materi­alien wie Graphen über­raschende physi­ka­lische Eigen­schaften auf­weisen können. Jarillo-Herrero und seine Kollegen erwarten, dass von ihrem relativ leicht nach­zu­bauenden Graphen­sand­wich neue Impulse für die Erfors­chung der unkon­ven­tio­nellen Supra­leitung aus­gehen werden. Zudem halten sie es für möglich, dass sich die ver­drehten Graphen­lagen für den Auf­bau von supra­leitenden Transis­toren oder gar supra­leitenden Qubits eignen könnten. Damit böten sie einen interes­santen, gut kontrol­lier­baren Hardware-Typ für zukünftige Quanten­computer.

Jan Oliver Löfken

RK