Graphen ist ein einatomig dünnes Material, das aus demselben Graphit wie Bleistiftminen gewonnen werden kann. 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 hat man festgestellt, dass Graphen in seiner einlagigen Form zahlreiche bemerkenswerte Eigenschaften aufweist.
Besondere Eigenschaften bei Graphenschichten
Im Jahr 2018 fanden MIT-Forscher heraus, dass, wenn zwei Graphenschichten in einem ganz bestimmten „magischen“ Winkel gestapelt werden, die verdrehte zweischichtige Struktur robuste Supraleitfähigkeit aufweisen kann, einen weithin gesuchten Materialzustand, in dem ein elektrischer Strom ohne Energieverlust fließen kann.
Vor kurzem hat dieselbe Gruppe einen ähnlichen supraleitenden Zustand in verdrilltem dreischichtigen Graphen gefunden – eine 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 robuste Supraleitung bei niedrigen Temperaturen zu erzeugen. Diese neueste Entdeckung etabliert die verschiedenen verdrehten und gestapelten Konfigurationen von Graphen als die erste bekannte „Familie“ von mehrlagigen Supraleitern mit magischem Winkel. Das Team hat auch Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den Mitgliedern der Graphen-Familie festgestellt.
Robuste Supraleiter
Die Ergebnisse könnten als Blaupause für die Entwicklung praktischer Supraleiter bei Raumtemperatur dienen. Wenn die Eigenschaften der Familienmitglieder in anderen, natürlich leitfähigen Materialien nachgebildet werden könnten, ließen sie sich zum Beispiel nutzen, um Elektrizität ohne Verlust zu übertragen oder magnetisch schwebende Züge zu bauen, die ohne Reibung fahren.
„Das Graphen-System mit dem magischen Winkel ist jetzt eine echte ‘Familie‘, die über ein paar Systeme hinausgeht“, sagt die Hauptautorin Jeong Min (Jane) Park, eine Doktorandin in der Abteilung für Physik des MIT. „Diese Familie ist besonders bedeutsam, weil sie eine Möglichkeit bietet, robuste Supraleiter zu entwickeln.“
Zu Parks MIT-Koautoren gehören Yuan Cao, Li-Qiao Xia, Shuwen Sun und Pablo Jarillo-Herrero, der Cecil and Ida Green Professor of Physics, sowie Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi vom National Institute for Materials Science in Tsukuba, Japan.
„Keine Grenze“
Jarillo-Herreros Gruppe war die erste, die Graphen mit magischem Winkel entdeckte, das in Form einer zweischichtigen Struktur aus zwei übereinander angeordneten Graphenblättern vorliegt, die in einem Winkel von genau 1,1 Grad leicht versetzt sind. Diese verdrehte Konfiguration, die als Moiré-Supergitter bezeichnet wird, verwandelt das Material in einen starken und beständigen Supraleiter bei ultratiefen Temperaturen.
Die Forscher fanden auch heraus, dass das Material eine Art von elektronischer Struktur aufweist, die als „flaches Band“ bekannt ist, bei dem die Elektronen des Materials unabhängig von ihrem Impuls die gleiche Energie haben. In diesem flachen Bandzustand und bei ultrakalten Temperaturen verlangsamen sich die normalerweise hektischen Elektronen gemeinsam so weit, dass sie sich zu so genannten Cooper-Paaren zusammenschließen – wesentliche Bestandteile der Supraleitung, die ohne Widerstand durch das Material fließen können.
Die Forscher beobachteten zwar, dass das verdrillte zweischichtige Graphen sowohl Supraleitung als auch eine flache Bandstruktur aufweist, doch war nicht klar, ob sich die Supraleitung aus der flachen Bandstruktur ergibt.
„Es gab keinen Beweis dafür, dass eine flache Bandstruktur zur Supraleitung führt“, sagt Park. „Andere Gruppen haben seither andere verdrillte Strukturen aus anderen Materialien hergestellt, die ein flaches Band aufweisen, aber sie hatten keine wirklich robuste Supraleitung. Also haben wir uns gefragt: Könnten wir eine weitere flachbandige supraleitende Vorrichtung herstellen?“
Mathematische Bestätigung
Während sie über diese Frage nachdachten, leitete eine Gruppe der Harvard University Berechnungen ab, die mathematisch bestätigten, dass drei Graphenschichten, die um 1,6 Grad verdreht sind, ebenfalls flache Bänder aufweisen und supraleitend sein könnten.
Sie zeigten weiter, dass es keine Begrenzung für die Anzahl der Graphenschichten geben sollte, die Supraleitfähigkeit aufweisen, wenn sie in der richtigen Weise gestapelt und verdreht werden, und zwar in den ebenfalls vorhergesagten Winkeln.
Schließlich bewiesen sie, dass sie jede Mehrschichtstruktur mathematisch mit einer gemeinsamen flachen Bandstruktur in Verbindung bringen können – ein starker Beweis dafür, dass ein flaches Band zu robuster Supraleitung führen kann.
„Sie haben herausgefunden, dass es eine ganze Hierarchie von Graphenstrukturen bis hin zu unendlich vielen Schichten gibt, die einem ähnlichen mathematischen Ausdruck für eine flache Bandstruktur entsprechen könnten“, sagt Park.
Kurz nach dieser Arbeit fand die Gruppe von Jarillo-Herrero heraus, dass in der Tat Supraleitung und ein flaches Band in verdrilltem dreischichtigen Graphen auftraten – drei Graphenblätter, die wie ein Käsesandwich gestapelt sind, wobei die mittlere Käseschicht um 1,6 Grad gegenüber den äußeren Schichten verschoben ist. Aber die dreischichtige Struktur zeigte auch subtile Unterschiede im Vergleich zu ihrem zweischichtigen Gegenstück.
„Das hat uns zu der Frage veranlasst, wo diese beiden Strukturen in Bezug auf die gesamte Materialklasse einzuordnen sind und ob sie zur selben Familie gehören“, sagt Park.
Eine unkonventionelle Familie
In der aktuellen Studie versuchte das Team, die Anzahl der Graphenschichten zu erhöhen. Sie stellten zwei neue Strukturen her, die aus vier beziehungsweise fünf Graphenschichten bestehen. Jede Struktur ist abwechselnd übereinander gestapelt, ähnlich wie ein verschobenes Käsesandwich aus verdrehtem dreilagigem Graphen.
Das Team hielt die Strukturen in einem Kühlschrank unter 1 K (etwa -273 °C), ließ elektrischen Strom durch jede Struktur fließen und maß die Leistung unter verschiedenen Bedingungen, ähnlich wie bei den Tests für ihre zwei- und dreilagigen Systeme.
Insgesamt stellten sie fest, dass sowohl vier- als auch fünflagiges verdrilltes Graphen ebenfalls eine robuste Supraleitfähigkeit und ein flaches Band aufweist. Die Strukturen wiesen auch andere Gemeinsamkeiten mit ihren dreischichtigen Gegenstücken auf, wie zum Beispiel ihre Reaktion auf ein Magnetfeld mit unterschiedlicher Stärke, Winkel und Ausrichtung.
Diese Experimente zeigten, dass verdrillte Graphenstrukturen als eine neue Familie oder Klasse allgemeiner supraleitender Materialien angesehen werden könnten.
Schwarzes Schaf
Die Experimente legten auch nahe, dass es ein schwarzes Schaf in der Familie geben könnte: Die ursprüngliche verdrehte Doppelschichtstruktur hat zwar die gleichen Schlüsseleigenschaften, zeigt aber auch subtile Unterschiede zu ihren Geschwistern. So zeigten frühere Experimente der Gruppe, dass die Supraleitfähigkeit der Struktur bei niedrigeren Magnetfeldern zusammenbrach und im Vergleich zu ihren mehrschichtigen Geschwistern ungleichmäßiger war, wenn das Feld rotierte.
Das Team führte Simulationen für jeden Strukturtyp durch, um eine Erklärung für die Unterschiede zwischen den Familienmitgliedern zu finden. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Tatsache, dass die Supraleitfähigkeit von verdrilltem zweischichtigem Graphen unter bestimmten magnetischen Bedingungen nachlässt, einfach darauf zurückzuführen ist, dass alle physikalischen Schichten in einer „nicht gespiegelten“ Form innerhalb der Struktur existieren.
Mit anderen Worten, es gibt keine zwei Schichten in der Struktur, die einander spiegelbildlich gegenüberstehen, während die mehrschichtigen Geschwister von Graphen eine Art von Spiegelsymmetrie aufweisen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Mechanismus, der die Elektronen dazu bringt, in einen robusten supraleitenden Zustand zu fließen, in der gesamten Familie der verdrehten Graphene gleich ist.
„Das ist sehr wichtig“, bemerkt Park. „Ohne dies zu wissen, könnte man denken, dass zweischichtiges Graphen im Vergleich zu mehrschichtigen Strukturen konventioneller ist. Aber wir zeigen, dass diese gesamte Familie unkonventionelle, robuste Supraleiter sein können.“
Diese Forschung wurde zum Teil vom US-Energieministerium, der National Science Foundation, dem Air Force Office of Scientific Research, der Gordon and Betty Moore Fundation, der Ramon Areces Foundation und dem CIFAR Program on Quantum Materials unterstützt.
