Neues Material mit wellenförmigen Atomschichten weist ungewöhnliche supraleitende Eigenschaften auf

Physiker des MIT und ihre Kollegen haben ein neues Material mit ungewöhnlichen supraleitenden und metallischen Eigenschaften geschaffen. Dafür sorgen wellenförmige Atomschichten von nur Milliardstel Metern Dicke, die sich immer wieder wiederholen und so eine makroskopische Probe bilden, die von Hand bearbeitet werden kann. Die enorme Größe der Probe macht es viel einfacher, ihr Quantenverhalten oder Wechselwirkungen auf atomarer Ebene zu erforschen, die ihre Eigenschaften hervorrufen.

Die Arbeit, gemeldet In Naturist auch deshalb wichtig, weil das Material durch rationales Design synthetisiert wurde. Mit anderen Worten: Das Rezept für das Material basiert auf den Erkenntnissen des Teams in der Materialwissenschaft und Chemie dieser Materialfamilie. Daher sind die Physiker zuversichtlich, dass sie noch mehr neue Materialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften herstellen können.

Obwohl es auch andere Materialien gibt, die wellenförmige Atomstrukturen bilden, ist das Team davon überzeugt, dass dieses die perfekteste ist. Die nanoskopischen Wellenschichten sind über den gesamten Kristall, der aus Tausenden dieser gewellten Schichten besteht, gleichmäßig verteilt.

„Derartige Materialien gehen über das hinaus, was man üblicherweise als Kristall betrachtet – die Beobachtung und das Verständnis, welche neuen physikalischen Eigenschaften dabei entstehen können, ist eine spannende Möglichkeit“, sagt Joseph Checkelsky, der leitende Forscher der Arbeit und außerordentlicher Professor für Physik am MIT.

2D-Materialien

Zweidimensionale Materialien oder solche, die nur aus einer oder wenigen Atomschichten bestehen, haben die Aufmerksamkeit der Physiker auf sich gezogen, weil sie manipuliert werden können, um Materialien mit neuen, ungewöhnlichen Eigenschaften zu erzeugen. Wenn man beispielsweise eine oder mehrere Schichten in einem leichten Winkel dreht oder verdreht, entsteht ein einzigartiges Muster, ein sogenanntes Moiré-Übergitter, das Phänomene wie Supraleitung und unkonventionellen Magnetismus hervorrufen kann.

Moiré-Materialien sind jedoch schwer herzustellen – sie müssen manuell zusammengesetzt werden – und aufgrund ihrer atomaren Dimensionen auch schwer zu untersuchen. Checkelskys Gruppe arbeitet an der Entwicklung analoger Materialien, die sich viel einfacher handhaben lassen.

„Wir mischen im Wesentlichen Materialpulver, setzen sie in einem Ofen Temperaturen von einigen hundert Grad Celsius aus und verlassen uns auf chemische Reaktionen“, um auf natürliche Weise makroskopische Kristalle zu bilden, deren Eigenschaften durch Wechselwirkungen auf atomarer Ebene bestimmt werden. „Das ist der entscheidende Durchbruch“, sagt Aravind Devarakonda, MIT-Doktor, der jetzt Assistenzprofessor an der Columbia University ist. Devarakonda ist Erstautor der aktuellen Natur Papier.

Im Jahr 2020 berichteten Checkelsky und viele der gleichen Kollegen in der aktuellen Arbeit über das erste auf diese Weise erstellte Material in der Zeitschrift Wissenschaft. Diesem Artikel war ein Perspektivbeitrag von Professor Leslie M. Schoop von der Princeton University beigefügt.

Im Jahr 2021 beschrieben Checkelsky und Kollegen in Natur die Physik dahinter, wie dieses spezielle Material zwei verschiedene Arten von Supraleitung aufweisen kann. Das neue wellenförmige Material ist das zweite Mitglied dieser Verbindungsfamilie.

Wie eine Schichttorte

Wie eine Schichttorte besteht das neue Material aus einer atomar dünnen Metallschicht aus Tantal und Schwefel, die auf einer „Abstandsschicht“ aus Strontium, Tantal und Schwefel gestapelt ist. Diese Struktur wiederholt sich über Tausende von Schichten und bildet einen großen Kristall.

Devarakonda und seine Kollegen glauben, dass die Wellen aufgrund einer Nichtübereinstimmung in Größe und Struktur des Kristallgitters jeder Schicht entstehen. Dementsprechend krümmt sich eine Schicht – bestehend aus Tantal und Schwefel –, um auf die andere zu passen, und bildet so die Welle. Stellen Sie sich vor, Sie legen ein Blatt Büropapier über ein Blatt normales Druckerpapier. Damit das Büropapier auf das normale Papier passt, müsste sich ein Teil des Papiers nach oben wölben. Die neue Struktur ist analog, außer dass das Büropapier in Abständen an das normale Papier „geheftet“ ist und so Wellen bildet.

Ungewöhnliche Eigenschaften

Diese winzigen Wellen wiederum sind der Grund für die interessanten Eigenschaften des Materials. Beispielsweise kann das Material bei einer bestimmten Temperatur supraleitend werden, d. h. Elektronen können ohne Widerstand durch das Material wandern.

In diesem Fall „werden die Elektronen durch die strukturellen Modulationen geprägt [waves]sagt Devarakonda. Mit anderen Worten: „Die Supraleitung nimmt diese Welligkeit ebenfalls auf. An manchen Stellen ist sie stark, an anderen abgeschwächt.“

Darüber hinaus weist das Material ungewöhnliche metallische Eigenschaften auf. Das liegt daran, dass es für Elektronen viel einfacher ist, durch die Wellentäler – oder Täler – zu fließen, als über die Wellenberge.

„Wir haben den Elektronen also eine Richtung gegeben. Es ist für sie einfacher, in die eine Richtung zu fließen als in die andere“, sagt Devarakonda. „Wir haben gezeigt, dass durch die Einführung der [wave] Struktur können wir das Verhalten der Schichten drastisch ändern. Wir haben die Flagge gehisst; jetzt können wir und andere mit Anwendungen arbeiten. Indem wir auf den Schultern von Riesen stehen, haben wir eine völlig neue Materialfamilie geschaffen. Es ist völlig unerforschtes Gebiet, das unerwartete Ergebnisse gebracht hat, und Überraschungen machen immer Spaß.“

Autoren dieses Artikels sind neben Devarakonda und Checkelsky Alan Chen, ein Doktorand in der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik des MIT; Shiang Fang, ehemals Postdoktorand in der Fakultät für Physik des MIT, jetzt bei Google Deepmind; David Graf vom National High Magnetic Field Laboratory; Markus Kriener vom RIKEN Center for Emergent Matter Science in Japan; Austin J. Akey von der Harvard University; David C. Bell von Harvard; und Takehito Suzuki von der Toho University.