Forschende der Universität Basel fanden zusammen mit Kolleginnen und Kollegen des Massachusetts Institute of Technology heraus, dass Graphen mehrere supraleitende Zustände einnehmen kann. Einige dieser Zustände werden durch Magnetfelder sogar stabilisiert und nicht wie sonst zerstört.
Aus physikalischer Sicht ist Graphen ein einfaches Material, da es nur aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen besteht. Wenn mehrere Lagen in einer bestimmten natürlichen Anordnung gestapelt werden, kann ein Material mit aussergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften entstehen.
Die Forscher konnten nun bei einer rhomboedrischen Anordnung mehrere Formen von Supraleitung beobachten. Dieser Zustand tritt sonst nur bei sehr tiefen Temperaturen auf und Magnetfelder können ihn rasch zerstören.
Stabilität durch Magnetfelder
Das überraschende Resultat der Experimente ist, dass die supraleitenden Zustände in vergleichsweise starken Magnetfeldern erhalten blieben oder sogar stabiler wurden. Das widerspricht dem Verhalten klassischer Supraleiter, bei denen Magnetfelder die Elektronenpaare aufbrechen, die für den widerstandslosen Stromfluss verantwortlich sind.
Die untersuchten Proben bestehen aus vier oder fünf atomar dünnen Graphenschichten, die nicht wie bei anderen Graphen-Experimenten künstlich verdreht sind, sondern einer natürlichen stapelartigen Struktur in einem hochreinen Kristall folgen. Über angelegte Spannungen werden die Zahl der Elektronen und das elektrische Feld im Material gesteuert. So können die elektronischen Eigenschaften gezielt verändert werden.
Sehr wichtig waren die Messungen unter besonders anspruchsvollen Bedingungen, welche die Gruppe von Prof. Dr. Dominik Zumbühl am Departement Physik der Universität Basel durchführte. Diese erfolgten bei extrem tiefen Temperaturen, sehr kleinen elektrischen Signalen und kontrollierten Magnetfeldern in unterschiedlichen Richtungen. Nur durch solche Messungen können die empfindlichen supraleitenden Zustände überhaupt sichtbar gemacht und voneinander unterschieden werden.
«Diese höchst ungewöhnlichen Supraleiter entziehen sich bislang einem theoretischen Verständnis, was ihre Erforschung besonders faszinierend und spannend macht», erklärt Armel Cotten, einer der Erstautoren der Studie und Doktorand in der Gruppe von Dominik Zumbühl. Überraschend und bislang unerklärlich ist, dass die Magnetfelder im rhomboedrischem Graphen den stärksten Magnetfeldern standhalten, die im Labor erzeugt werden konnten. In einigen Fällen verstärkten sie sich sogar.
Unbekannte Mechanismen
Bisher versteht man die genauen mikroskopischen Mechanismen nicht. Eine Vermutung ist, dass sich die Elektronen in diesen Zuständen anders paaren als in klassischen Supraleitern – etwa mit gleich ausgerichteten Spins. Dadurch könnten sie gegenüber Magnetfeldern weniger empfindlich sein.
Mit der Studie wurde gezeigt, dass auch unscheinbare und einfache Materialien wie Kohlenstoff ungeahnte Eigenschaften aufweisen können. Langfristig erwartet man neue Möglichkeiten zum verlustfreien Stromtransport, neuartige Bauteile oder topologische Quantenzustände.
