Technische Innovation

Erster Supraleiter aus Kohlenstoff: Graphen offenbart neue Eigenschaften

Nicolas Meudt Autor, Hemd & Hoodie

Die veränderbaren elektrischen Eigenschaften von Graphen bereiten den Weg für supraleitende Transistoren, die sich leicht abschalten lassen.

Das zweidimensionale Wundermaterial Graphen versetzt Materialforscher seit seiner Entdeckung 2004 aufgrund seiner mechanischen und elektrischen Eigenschaften immer wieder in Erstaunen. Es ist viele hundert Mal härter als Stahl und trotzdem elastisch, zudem besitzt es die Fähigkeit zur Selbstorganisation und leitet Wärme besser als beispielsweise Kupfer. Aufgrund ihrer permanenten Vibration sollen die wie Bienenwaben in einem hexagonalen Gitter miteinander verknüpften Kohlenstoffatome eines Tages sogar als Quelle für saubere und unbegrenzte Energie dienen können.

Als wäre dies nicht schon genug, haben Wissenschaftler nun entdeckt, dass sich Graphen auf verblüffend einfache Weise so manipulieren lässt, dass es zwei elektrischen Extremen entspricht. Zum einen funktioniert es als Isolator, in dem sich Elektronen nicht bewegen können. Zum anderen kann es als Supraleiter genutzt werden, in dem Strom ohne jeden Widerstand und somit praktisch vollkommen ohne Energieverlust fließt.

Mechanismus noch nicht vollständig verstanden

Diese Eigenschaften erreichten die Forscher in ihren Experimenten, indem sie zunächst zwei Schichten Graphen übereinander legten und sie anschließend in einem „magischen Winkel“ von exakt 1,1 Grad zueinander positionierten. In dieser Ausrichtung bildeten die Gitter eine Art Moiré-Muster, was eine ungewöhnlichen Wechselwirkungen zwischen den Elektronen der Kohlenstoffatome zur Folge hatte. Genauer gesagt, verhielt sich das Material plötzlich wie ein sogenannter Mott-Isolator, der trotz halbgefüllter Elektronenbänder keinen Strom leitet.

Im “magischen Winkel” von 1,1 Grad bilden die Graphengitter eine Art Moiré-Muster, was ungewöhnliche Wechselwirkungen zwischen den Elektronen der Kohlenstoffatome zur Folge hat. Gif: MIT – Jarillo-Herrero – (Montage)

Eine weitere erstaunliche Entdeckung machten die Physiker, als sie eine geringe elektrische Spannung an die Graphenschichten legten und diese nahe an den absoluten Nullpunkt abkühlten. Denn plötzlich konnten die Elektronen wieder frei umherwandern. Der dabei zum Tragen kommende Mechanismus ist bislang nur teilweise verstanden.

Neue Plattform zur Erforschung unkonventioneller Supraleiter

Fest steht allerdings: Zweidimensionale Materialien wie Graphen weisen oftmals physikalische Eigenschaften auf, die sich deutlich von dreidimensionalen Festkörpern aus gleichen Elementen unterscheiden. Die Forscher hoffen nun, ihre relativ leicht nachzubauenden Graphensandwiches als „neue Plattform zur Erforschung der unkonventionellen Supraleitung“ nutzen zu können. „Normalerweise müssen wir verschiedene Arten von Materialien herstellen, um alle Zustände zu untersuchen“, so Pablo Jarillo-Herrero: „Jetzt können wir all diese Physik in einer einzigen Apparatur erforschen“.

Auf Grundlage der verdrehten Graphen-Schichten könnte Hardware für künftige Quantencomputer entwickelt werden. Bild: Flickr – Santosh Gawde (CC BY-SA 2.0) – (Montage)

Darüber hinaus gehen der Forscher und seine Kollegen davon aus, dass sich auf Basis der verdrehten Graphenlagen Hardware für künftige Quantencomputer entwickeln lässt. Denkbar sei beispielsweise ein supraleitender Transistor, der einfach an- und abgeschaltet werden kann. Aufgrund der weitreichenden Implikationen der Entdeckung werden die bisherigen Forschungen mit Nachdruck vorangetrieben. Der Physiker und Nobelpreisträger Robert Laughlin etwa erwartet in den kommenden Monaten einen „Rausch experimenteller Aktivitäten“, welche die bislang noch vorhandenen Verständnislücken schließen sollen.

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