Steigerung der Supraleitfähigkeit in Graphen-Doppelschichten

Vor fast einem Jahrzehnt kündigten Forscher die Entdeckung einer neuen Wunderklasse ultradünner Materialien mit besonderen optischen und elektrischen Eigenschaften an, die es zu einem potenziellen Rivalen für Graphen machten, eine 2004 entdeckte Form von Kohlenstoff, deren eigene spezielle Eigenschaften sowohl Wissenschaftler als auch Ingenieure interessieren.

Jetzt haben Caltech-Ingenieure gezeigt, dass eines dieser Wundermaterialien, Wolframdiselenid, nicht nur ein Rivale von Graphen ist, sondern auch eine Ergänzung dazu. Durch die Zugabe von Wolframdiselenid zu Graphen ist es ihnen gelungen, die elektrischen Eigenschaften des Graphens auf eine Weise zu verbessern, die unser Verständnis der Supraleitung bereichert und den Weg für die Entwicklung robusterer und hochgradig abstimmbarer Supraleiter auf Graphenbasis ebnet.

Um zu verstehen, was die Forscher erreicht haben, ist es hilfreich, zunächst zu wissen, was Graphen ist und warum seine Eigenschaften es nützlich machen.

Graphen ist eine Form von Kohlenstoff, die aus einer einzelnen Schicht von Atomen besteht, die in einem wabenartigen Gittermuster angeordnet sind, das wie Maschendraht aussieht. Wenn zwei oder mehr dieser Blätter übereinander gestapelt werden, kann das resultierende Material sehr unterschiedliche elektronische Eigenschaften aufweisen, abhängig von der Ausrichtung dieser Blätter zueinander.

Wenn beispielsweise die zweite Graphenschicht um nur 1,05 Grad (ein Wert, der als „magischer Winkel“ bekannt ist) in Bezug auf die Schicht, auf die sie gelegt wird, „verdreht“ wird, kann der resultierende Stapel entweder ein leitender Supraleiter sein Strom ohne jeglichen Widerstand oder ein Isolator, der den Durchgang von Strom vollständig blockiert. Um zwischen diesen sehr unterschiedlichen Zuständen umzuschalten, muss lediglich ein externes elektrisches Feld angelegt werden.

Überraschenderweise zeigen Forschungen aus dem Jahr 2022, dass sogar unverdrillte Graphen-Doppelschichten Supraleitung aufweisen können. Unverdrillte Doppelschichten aus Graphen sind einfacher in großen Mengen herzustellen als ihre verdrillten Gegenstücke, aber der supraleitende Zustand in diesen unverdrillten Doppelschichten ist empfindlicher, schwerer abzustimmen und tritt nur bei Temperaturen auf, die etwa hundertmal niedriger sind als in verdrillten Strukturen (wie Temperaturen kann normalerweise nur durch die Verwendung von flüssigem Helium erreicht werden). Die neue Forschung am Caltech zeigt einen Weg auf, diese fragile Supraleitung mit Wolframdiselenid deutlich zu verbessern.

In der neuen Arbeit, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur Am 11. Januar entdeckten Stevan Nadj-Perge, Assistenzprofessor für angewandte Physik und Materialwissenschaften, und seine Kollegen, dass die Supraleitfähigkeit des unverdrillten Graphens stark verbessert wird, wenn Wolframdiselenid auf Graphen-Doppelschichten aufgebracht wird. Bemerkenswerterweise wird die kritische Supraleitungstemperatur – d. h. die wärmste Temperatur, bei der das Material supraleitend werden kann – um den Faktor 10 erhöht. Da Wolframdiselenid in unmittelbarer Nähe zu Graphen liegt, verleiht es dem Graphen die Vorteile des „magischen Winkels“. massenproduzierbareres unverdrilltes Graphen. Diese Erkenntnis bietet neue Einblicke in die Natur der Supraleitung und schlägt Strategien zur Verbesserung der Supraleitung in anderen verwandten Materialien auf Graphenbasis vor.

„Diese Graphen-Doppelschicht-Geräte sind bemerkenswert abstimmbar“, sagt Nadj-Perge, korrespondierende Autorin der neuen Arbeit. „Durch das Anlegen elektrischer Felder können wir beispielsweise Elektronen zu der Doppelschicht hinzufügen oder entfernen sowie sie zu Wolframdiselenid hin und von ihm weg schieben. Dadurch konnten wir die Verbesserung der Supraleitfähigkeit im System sorgfältig untersuchen.“

„Die hohe Abstimmbarkeit eröffnet Möglichkeiten für zukünftige Anwendungen“, fährt Nadj-Perge fort. „Einer der Hauptvorteile von unverdrillten Graphen-Supraleitern im Vergleich zu ihren verdrillten Gegenstücken besteht darin, dass sie in Bezug auf Unordnung und Defekte viel sauberer und technisch viel einfacher herzustellen sind. Das bedeutet, dass diese Strukturen möglicherweise besser für Anwendungen geeignet sind, bei denen dies erforderlich wäre viele identische Kopien derselben Gerätearchitektur erstellen.“