Ein Team des MIT hat einen bedeutenden Schritt im Verständnis von Supraleitern gemacht, indem es außergewöhnliche Quanteneigenschaften in einer dreifach verdrillten Graphenstruktur nachgewiesen hat. Dieser Durchbruch eröffnet neue Perspektiven für die Entwicklung von Materialien, die Strom ohne Energieverlust bei zugänglicheren Temperaturen leiten können.
Die Forscher haben eine innovative experimentelle Methode entwickelt, die zwei Quantenmesstechniken kombiniert. Durch gleichzeitige Beobachtung des Phänomens des Elektronen-"Tunnelns" und des elektrischen Widerstands konnten sie die Bildung des supraleitenden Zustands in Echtzeit erfassen. Dieser Ansatz ermöglichte es ihnen, eine charakteristische V-förmige Signatur in der "supraleitenden Bandlücke" zu identifizieren – eine Messgröße, die zeigt, wie sich Elektronen organisieren, um Supraleitung zu ermöglichen.
Physiker nutzen eine neue Plattform, um die supraleitende Bandlücke von Graphen mit "magischem Winkel" zu messen. Die Methode beinhaltet das "Tunneln" von Elektronen zwischen zwei Schichten von dreifach verdrilltem Graphen (gelb dargestellt), während der supraleitende Zustand des Materials gemessen wird. Diese Experimente zeigen erstmals klare Beweise, dass MATTG ein unkonventioneller Supraleiter ist.
Quelle: Pablo Jarillo-Herrero, et al Im Gegensatz zu traditionellen Supraleitern, bei denen die Bandlücke gleichmäßig erscheint, deutet diese V-Form auf einen radikal anderen Mechanismus der Elektronenkopplung hin. Die Elektronen scheinen sich viel enger zu verbinden, fast als würden sie Moleküle bilden. Diese Besonderheit zeigt, dass die Wechselwirkungen zwischen Elektronen – und nicht die Schwingungen des Atomgitters – die Ursache für die Supraleitung in diesem Material sein könnten.
Das dreischichtige Graphen mit "magischem Winkel" wird durch das Stapeln von drei ultradünnen Kohlenstoffschichten mit einer präzisen Verdrillung von etwa 1,1 Grad erreicht. Diese Konfiguration verändert die elektronischen Eigenschaften des Materials grundlegend und schafft Bedingungen, die das Auftreten ungewöhnlicher Quantenphänomene begünstigen. Die Fähigkeit, diese Eigenschaften durch einfache Verdrillung zu kontrollieren, ebnet den Weg für ein präzises Engineering von Quantenmaterialien.
Diese Entdeckung könnte die Forschung hin zu Supraleitern, die bei Raumtemperatur funktionieren, beschleunigen. Durch ein besseres Verständnis der unkonventionellen Mechanismen, die in diesen Graphenstrukturen wirken, hoffen Wissenschaftler, neue Materialien für verlustfreie Stromnetze, medizinische Bildgebung oder Quantencomputing zu entwickeln.
Die Forscher planen nun, ihre Methode auf andere zweidimensionale Materialien anzuwenden, um neue supraleitende Kandidaten zu identifizieren. Dieser Ansatz ermöglicht die direkte Untersuchung, wie Elektronen Paare bilden und mit anderen Quantenzuständen wechselwirken, und bietet so ein einzigartiges Fenster in die mikrokopische Welt der Quantenmaterialien.
Das Phänomen der Supraleitung
Supraleitung repräsentiert einen besonderen Zustand der Materie, in dem der elektrische Widerstand exakt null wird. In diesem Zustand kann elektrischer Strom unbegrenzt ohne Energieverlust fließen, ähnlich wie eine perfekte Flüssigkeit, die ohne Reibung strömt.
Dieser Zustand tritt generally bei extrem niedrigen Temperaturen auf, oft nahe dem absoluten Nullpunkt (-273°C). Materialien müssen mit flüssigem Helium oder Stickstoff gekühlt werden, was ihre praktischen Anwendungen trotz ihrer bemerkenswerten Effizienz erheblich einschränkt.
Der fundamentale Mechanismus beinhaltet die Bildung von "Cooper-Paaren", bei denen sich zwei Elektronen trotz ihrer natürlichen Abstoßung verbinden. In konventionellen Supraleitern wird diese Assoziation durch Schwingungen des Kristallgitters vermittelt, während in unkonventionellen Supraleitern komplexere elektronische Wechselwirkungen ins Spiel kommen.
Die Entdeckung neuer Supraleitungsmechanismen eröffnet die Möglichkeit, Materialien zu entwickeln, die bei höheren Temperaturen funktionieren, was den Transport und die Speicherung von Energie revolutionieren würde.
Graphen und seine außergewöhnlichen Eigenschaften
Graphen besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind, ähnlich wie Maschendraht. Diese zweidimensionale Struktur verleiht ihm bemerkenswerte elektrische und mechanische Eigenschaften, die seinen Entdeckern 2010 den Nobelpreis für Physik einbrachten.
Als das dünnste bekannte Material ist Graphen gleichzeitig extrem widerstandsfähig und flexibel. Seine außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit macht es zu einem idealen Kandidaten für die Elektronik der nächsten Generation und Energietechnologien.
Wenn man mehrere Graphenschichten übereinanderstapelt und sie leicht verdreht, beobachtet man das Auftreten überraschender Quanteneigenschaften. Der sogenannte "magische Winkel" von etwa 1,1 Grad erzeugt Interferenzmuster, die das Verhalten der Elektronen grundlegend verändern.
Diese verdrillten Strukturen bilden eine ideale Plattform, um Quantenphänomene zu studieren und neue Materiezustände zu erforschen, was Graphen zu einem vielversprechenden Material für die Grundlagenphysik und zukünftige Technologien macht.
Quelle: Science