Schicht für Schicht zur Supraleitung

Stellen Sie sich eine Materialschicht vor, die nur eine Atomschicht dick ist – weniger als ein Millionstel Millimeter. Auch wenn dies phantastisch klingen mag, ein solches Material existiert: Es heißt Graphen und besteht aus Kohlenstoffatomen in einer Wabenanordnung. Erstmals im Jahr 2004 synthetisiert und dann bald als Substanz mit wundersamen Eigenschaften gefeiert, arbeiten Wissenschaftler immer noch daran, sie zu verstehen.

Postdoc Areg Ghazaryan und Professor Maksym Serbyn vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) untersuchen zusammen mit den Kollegen Dr. Tobias Holder und Professor Erez Berg vom Weizmann Institute of Science in Israel seit Jahren Graphen und haben nun ihre neuesten Erkenntnisse veröffentlicht über seine supraleitenden Eigenschaften in einer Forschungsarbeit in der Zeitschrift Körperliche Überprüfung B.

„Mehrschichtiges Graphen hat viele vielversprechende Eigenschaften, die von einer breit abstimmbaren Bandstruktur und speziellen optischen Eigenschaften bis hin zu neuen Formen der Supraleitung reichen – was bedeutet, elektrischen Strom ohne Widerstand leiten zu können“, erklärt Ghazaryan.

„In unserem theoretischen Modell setzen wir unsere Arbeit an mehrschichtigem Graphen fort und betrachten verschiedene mögliche Anordnungen verschiedener Graphenschichten übereinander. Dort haben wir neue Möglichkeiten gefunden, um sogenannte topologische Supraleitung zu erzeugen.“ In ihrer Studie simulierten die Forscher am Computer, was passiert, wenn man einige Lagen Graphenblätter auf bestimmte Weise übereinander stapelt.

Ein Wettbewerb der Elektronenschönheit

„Es ist wie ein großer Schönheitswettbewerb zwischen den verschiedenen Konfigurationen gestapelter Graphenblätter, um die beste zu finden“, fügt Serbyn hinzu. „Wir schauen uns darin an, wie sich die Elektronen verhalten, die sich im mehrschichtigen Graphen bewegen.“

Je nachdem, wie die verschiedenen Graphenschichten gegeneinander verschoben sind und wie viele Schichten es gibt, schaffen die positiv geladenen Kernkerne der Kohlenstoffatome im Wabengitter unterschiedliche Umgebungen für die Elektronen um sie herum. Die negativ geladenen Elektronen werden von den Kernen angezogen und voneinander abgestoßen.

„Wir begannen damit, realistische Modelle zu untersuchen, die nur ein einzelnes Elektron berücksichtigten, das mit den Kernen des Graphens interagiert. Sobald wir einen vielversprechenden Ansatz gefunden hatten, fügten wir die komplizierteren Wechselwirkungen zwischen vielen Elektronen hinzu“, erklärt Ghazaryan. Mit diesem Ansatz bestätigten die Forscher das Auftreten der exotischen Form der topologischen Supraleitung.

Auf der Suche nach dem Feedback der Natur

Diese Art der theoretischen Forschung legt den Grundstein für zukünftige Experimente, bei denen die simulierten Graphensysteme in einem Labor erstellt werden, um zu sehen, ob sie sich wirklich wie vorhergesagt verhalten. „Unsere Arbeit hilft den Experimentatoren, neue Aufbauten zu entwerfen, ohne jede Konfiguration von Graphenschichten ausprobieren zu müssen“, sagt Ghazaryan. „Jetzt wird die theoretische Forschung fortgesetzt, während Experimente uns Feedback aus der Natur geben.“

Während Graphen langsam Anwendungen in Forschung und Technologie gefunden hat – zum Beispiel als Kohlenstoffnanoröhren – beginnt man sein Potenzial als topologischer Supraleiter für Elektrizität gerade erst zu verstehen. Serbyn fügt hinzu: „Wir hoffen, eines Tages in der Lage zu sein, diese Art von Material auf quantenmechanischer Ebene vollständig zu beschreiben, sowohl wegen des inhärenten Wertes der wissenschaftlichen Untersuchung der grundlegenden Eigenschaften von Materie als auch wegen der vielen potenziellen Anwendungen von Graphen.“