Physiker entdecken eine „Familie“ robuster, supraleitender Graphenstrukturen

Bei Graphen scheint die Supraleitung in der Familie zu liegen.

Graphen ist ein ein Atom dünnes Material, das von demselben Graphit abgezogen werden kann, der auch in Bleistiftminen vorkommt. Das ultradünne Material besteht vollständig aus Kohlenstoffatomen, die in einem einfachen sechseckigen Muster angeordnet sind, ähnlich dem von Hühnerdraht. Seit seiner Isolierung im Jahr 2004 wurde festgestellt, dass Graphen in seiner einschichtigen Form zahlreiche bemerkenswerte Eigenschaften verkörpert.

Im Jahr 2018 fanden MIT-Forscher heraus, dass, wenn zwei Graphenschichten in einem sehr spezifischen „magischen“ Winkel gestapelt werden, die verdrillte Doppelschichtstruktur eine robuste Supraleitfähigkeit aufweisen könnte, ein weithin gesuchter Materialzustand, in dem ein elektrischer Strom ohne Energieverlust fließen kann. Kürzlich fand dieselbe Gruppe heraus, dass ein ähnlicher supraleitender Zustand in verdrilltem dreischichtigem Graphen existiert – einer Struktur aus drei Graphenschichten, die in einem präzisen, neuen magischen Winkel gestapelt sind.

Jetzt berichtet das Team, dass – Sie haben es erraten – vier und fünf Graphenschichten in neuen magischen Winkeln verdreht und gestapelt werden können, um bei niedrigen Temperaturen eine robuste Supraleitung hervorzurufen. Diese neueste Entdeckung, veröffentlicht diese Woche in Naturmaterialien, etabliert die verschiedenen verdrillten und gestapelten Konfigurationen von Graphen als die erste bekannte „Familie“ von mehrschichtigen Supraleitern mit magischem Winkel. Das Team identifizierte auch Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Mitgliedern der Graphenfamilie.

Die Ergebnisse könnten als Blaupause für die Entwicklung praktischer Supraleiter bei Raumtemperatur dienen. Wenn die Eigenschaften von Familienmitgliedern in anderen, natürlich leitfähigen Materialien nachgebildet werden könnten, könnten sie zum Beispiel genutzt werden, um Strom ohne Verlust zu liefern oder Magnetschwebebahnen zu bauen, die ohne Reibung laufen.

„Das Graphensystem mit magischem Winkel ist jetzt eine legitime ‚Familie‘, die über ein paar Systeme hinausgeht“, sagt der Hauptautor Jeong Min (Jane) Park, ein Doktorand am Department of Physics des MIT. „Diese Familie zu haben ist besonders sinnvoll, weil sie eine Möglichkeit bietet, robuste Supraleiter zu entwerfen.“

‚Keine Begrenzung‘

Die Gruppe um Jarillo-Herrero war die erste, die Graphen mit magischem Winkel entdeckte, in Form einer Doppelschichtstruktur aus zwei Graphenschichten, die übereinander angeordnet und in einem präzisen Winkel von 1,1 Grad leicht versetzt sind. Diese verdrillte Konfiguration, bekannt als Moiré-Übergitter, verwandelte das Material bei ultratiefen Temperaturen in einen starken und beständigen Supraleiter.

Die Forscher fanden auch heraus, dass das Material eine Art elektronischer Struktur aufwies, die als „flaches Band“ bekannt ist, in dem die Elektronen des Materials unabhängig von ihrem Impuls dieselbe Energie haben. In diesem Flachbandzustand und bei ultrakalten Temperaturen verlangsamen sich die normalerweise frenetischen Elektronen kollektiv genug, um sich zu sogenannten Cooper-Paaren zu paaren – wesentliche Bestandteile der Supraleitung, die ohne Widerstand durch das Material fließen können.

Während die Forscher beobachteten, dass verdrilltes zweischichtiges Graphen sowohl Supraleitung als auch eine flache Bandstruktur aufwies, war nicht klar, ob ersteres aus letzterem hervorging.

„Es gab keinen Beweis dafür, dass eine flache Bandstruktur zu Supraleitung führte“, sagt Park. „Andere Gruppen haben seitdem andere verdrillte Strukturen aus anderen Materialien hergestellt, die ein gewisses flaches Band haben, aber sie hatten keine wirklich robuste Supraleitfähigkeit.

Als sie diese Frage betrachteten, leitete eine Gruppe von der Harvard University Berechnungen ab, die mathematisch bestätigten, dass drei Graphenschichten, die um 1,6 Grad verdreht waren, auch flache Bänder aufweisen würden, und schlugen vor, dass sie supraleitend sein könnten. Sie fuhren fort, zu zeigen, dass es keine Begrenzung für die Anzahl von Graphenschichten geben sollte, die Supraleitfähigkeit aufweisen, wenn sie genau richtig gestapelt und verdreht sind, und zwar in Winkeln, die sie ebenfalls vorhergesagt haben. Schließlich bewiesen sie, dass sie jede Mehrschichtstruktur mathematisch mit einer gemeinsamen Flachbandstruktur in Beziehung setzen konnten – ein starker Beweis dafür, dass ein Flachband zu robuster Supraleitung führen kann.

„Sie haben herausgefunden, dass es diese gesamte Hierarchie von Graphenstrukturen bis hin zu unendlichen Schichten geben könnte, die einem ähnlichen mathematischen Ausdruck für eine flache Bandstruktur entsprechen könnten“, sagt Park.

Kurz nach dieser Arbeit stellte die Gruppe von Jarillo-Herrero fest, dass tatsächlich Supraleitung und ein flaches Band in verdrilltem dreischichtigem Graphen auftauchten – drei Graphenblätter, die wie ein Käsesandwich gestapelt waren, wobei die mittlere Käseschicht um 1,6 Grad in Bezug auf die sandwichartig angeordneten äußeren Schichten verschoben war . Aber die dreischichtige Struktur zeigte auch subtile Unterschiede im Vergleich zu ihrem zweischichtigen Gegenstück.

„Das hat uns zu der Frage veranlasst, wo passen diese beiden Strukturen in Bezug auf die gesamte Materialklasse und stammen sie aus derselben Familie?“ Park sagt.

Eine unkonventionelle Familie

In der aktuellen Studie versuchte das Team, die Anzahl der Graphenschichten zu erhöhen. Sie stellten zwei neue Strukturen aus vier bzw. fünf Graphenschichten her. Jede Struktur ist abwechselnd gestapelt, ähnlich dem verschobenen Käsesandwich aus verdrilltem dreischichtigem Graphen.

Das Team hielt die Strukturen in einem Kühlschrank unter 1 Kelvin (etwa -273 Grad Celsius), ließ elektrischen Strom durch jede Struktur laufen und maß die Leistung unter verschiedenen Bedingungen, ähnlich wie bei Tests für ihre zweischichtigen und dreischichtigen Systeme.

Insgesamt fanden sie heraus, dass sowohl vier- als auch fünflagiges verdrilltes Graphen auch eine robuste Supraleitfähigkeit und ein flaches Band aufweisen. Die Strukturen teilten auch andere Ähnlichkeiten mit ihrem dreischichtigen Gegenstück, wie z. B. ihre Reaktion auf ein Magnetfeld unterschiedlicher Stärke, Winkel und Ausrichtung.

Diese Experimente zeigten, dass verdrillte Graphenstrukturen als eine neue Familie oder Klasse üblicher supraleitender Materialien angesehen werden könnten. Die Experimente deuteten auch darauf hin, dass es möglicherweise ein schwarzes Schaf in der Familie gibt: Die ursprüngliche verdrillte Doppelschichtstruktur zeigte, obwohl sie Schlüsseleigenschaften teilte, auch subtile Unterschiede zu ihren Geschwistern. Beispielsweise zeigten frühere Experimente der Gruppe, dass die Supraleitfähigkeit der Struktur bei niedrigeren Magnetfeldern zusammenbrach und bei Rotation des Felds ungleichmäßiger war als bei ihren mehrschichtigen Geschwistern.

Das Team führte Simulationen für jeden Strukturtyp durch und suchte nach einer Erklärung für die Unterschiede zwischen Familienmitgliedern. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Tatsache, dass die Supraleitfähigkeit von verdrilltem zweischichtigem Graphen unter bestimmten magnetischen Bedingungen abstirbt, einfach darauf zurückzuführen ist, dass alle seine physikalischen Schichten in einer „nicht gespiegelten“ Form innerhalb der Struktur existieren. Mit anderen Worten, es gibt keine zwei Schichten in der Struktur, die spiegelbildlich zueinander sind, während die mehrschichtigen Geschwister von Graphen eine Art Spiegelsymmetrie aufweisen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Mechanismus, der Elektronen dazu bringt, in einem robusten supraleitenden Zustand zu fließen, in der Familie der verdrillten Graphene gleich ist.

„Das ist ziemlich wichtig“, bemerkt Park. „Ohne dies zu wissen, könnten die Leute denken, dass zweischichtiges Graphen im Vergleich zu mehrschichtigen Strukturen konventioneller ist. Aber wir zeigen, dass diese gesamte Familie unkonventionelle, robuste Supraleiter sein können.“