11.01.2016

Supraleiter mit variabler Sprungtemperatur

Bei Molybdändisulfid bestimmt die Schichtdicke über den Über­gang in den supra­leitenden Zustand.

Molybdändisulfid ist ein seltsamer Supraleiter. Um elek­trischen Strom ohne Wider­stand leiten zu können, muss das ähnlich wie Graphit geschich­tete Material nicht nur auf unter zwölf Kelvin gekühlt werden. Zusätz­lich benötigt es eine Schalt­spannung, die in einem Aufbau ähnlich wie bei einem Transistor über eine Gate-Elektrode fließen kann. An der Uni Genf unter­suchte nun ein Forscher­team um Alberto Morpurgo, wie sich diese Eigen­schaften bei extrem dünnen Schichten aus Molybdän­di­sulfid verändern. Zu ihrer Über­raschung zeigen Mono­lagen sogar eine signi­fikant tiefere Sprung­temperatur.

Abb.: Mikroskopaufnahme eines supraleitenden Transistors mit extrem dünnen Schichten aus Molybdändisulfid. (Bild: A. F. Morpurgo et al., U. Genf)

Für ihre Versuche schälten Morpurgo und Kollegen ein- und mehr­lagige Schichten aus Molybdän­di­sulfid von einem größeren Material­block mit einem in der Graphen-Forschung etablierten Exfoliations­verfahren ab. An diese Proben hefteten sie Elektroden und erhielten einen transistor­ähnlichen Aufbau. Floss nun ein elek­trischer Strom durch eine Elektrode, wandelten sich die Molybdän­di­sulfid-Schichten von einem Isolator in einen elek­trischen Leiter mit hohen Elektronen­dichten von bis zu 1014 pro Quadrat­zenti­meter. Tief­ge­kühlt auf unter zwölf Kelvin ging das unter Spannung gesetzte Material in den supra­leitenden Zustand über.

Dieses bekannte Verhalten konnten die Forscher bis zu dünnen Schichten aus zwei Lagen Molybdän­di­sulfid bestätigen. Für die nur noch einen Nano­meter dünne Mono­lage jedoch sackte die Sprung­temperatur auf zwei Kelvin ab. Die Ursache dafür konnten Morpurgo und Kollegen noch nicht eindeutig ausmachen. Aber sie gehen davon aus, dass die stärkere Coulomb-Abstoßung der negativ geladenen Elektronen in den ein­lagigen Schicht eine wichtige Rolle bei dem Phänomen spielte. Die bei der Mono­lage deutlich niedrigere relative dielek­trische Konstante – sie beträgt hier 4, im Fest­körper 12 – unter­stützt diese Annahme. Doch auch thermische Fluktu­ationen im zwei­dimen­sionalen Molybdän­di­sulfid könnten einen Einfluss haben.

„Mit seiner Gate-induzierten Supraleitung zeigt Molybdän­di­sulfid, dass eine neue Ära der elektro­nischen Materialen begonnen hat“, sagt Morpurgo. So könnten nun Module mit einer elek­trisch schalt­baren Supra­leitung entwickelt werden. Auch neu­artige Transis­toren auf Basis dieses Effekts sind vor­stell­bar. Der Unter­schied in der Sprung­temperatur zwischen einer Mono­lage und dickeren Schichten ließe sich dabei für zusätz­liche Schalt­varianten nutzen.

Jan Oliver Löfken

RK

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