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Supraleitung in Graphen : Widerspenstige Zähmung des Wundermaterials

Lithiumatome in der Graphenschicht verändert die Zustandsdichte der Gitterschwingungen (Phononen) und verstärkt die Elektron-Photon-Kopplung, so dass es bei einer tiefen Temperatur zur Supraleitung kommt. Bild: Andrea Damascelli

2D-Gitter aus Kohlenstoffatomen zeigen Eigenschaften, die Materialforscher staunen lassen - Supraleitung zählte bislang nicht dazu. Dank einer dünnen Lithiumbeschichtung kann der Strom nun auch in Graphen ohne Widerstand fließen.

          Auf dem Wundermaterial Graphen ruhen große Hoffnungen. Denn obwohl es nur aus einer Monolage Kohlenstoffatome besteht und damit hauchdünn ist, zeigt es mechanische und elektrische Eigenschaften, die man von keiner anderen Substanz her kennt. Es ist extrem reißfest, gleichzeitig elastisch, transparent und leitet Wärme und elektrischen Strom besser als Kupfer. Kanadische und deutsche Wissenschaftler haben der besonderen Form des Kohlenstoffs jetzt eine weitere elektrische Eigenschaft entlocken können: die Supraleitung. Elektrischer Strom kann damit in dem zweidimensionalen Material ohne jeglichen Widerstand und folglich ohne Energieverlust fließen, wenn man es nur stark genug kühlt. Allerdings muss man Graphen hierfür mit Lithiumatomen versetzen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Bei Graphen handelt es sich um eine zweidimensionale Substanz. Die Kohlenstoffatome sind ähnlich wie beim Graphit in einer Wabenstruktur miteinander verknüpft. Sie bilden auf diese Weise ein ausgedehntes Netz, das nur eine Atomlage dünn ist. Obwohl Graphen bei Raumtemperatur den Strom recht gut leitet und die Elektronen äußerst beweglich sind, scheiterten bislang alle Bemühungen, es in den supraleitenden Zustand zu befördern.

          Lithiumatome führen zum Erfolg

          Bei den bekannten Varianten des Kohlenstoffs - Diamant, Graphit, Fullerenen und den Kohlenstoff-Nanoröhrchen - ist das bereits gelungen, indem man gezielt Fremdatome hinzufügte und die Materialien stark abkühlte. Bei dünnen Schichten aus Graphit haben sich beispielsweise Kalziumatome bewährt. Die Supraleitung stellt sich unterhalb einer Sprungtemperatur von minus 261 Grad ein, wie Wissenschaftler der Universität Wien unlängst beobachteten.

          Hoffnung kam auf, als vor drei Jahren Gianni Profeta von der Universität in L’Aquila berechnete, dass man in Graphen bei minus 265 Grad Supraleitung hervorrufen kann, wenn man das Material gezielt mit Lithiumatomen versetzt. Das war eine Überraschung, da das Zufügen von Lithium bei Graphit zu keinem Erfolg geführt hatte. Die Rechnungen von Profeta zeigten, dass die eingeschleusten Alkalimetall-Atome zusätzliche Elektronen bereitstellen, die an die Gitterschwingungen, die Phononen, im Graphen koppeln. Dadurch wird die natürliche elektrostatische Abstoßung der Ladungsträger herabgesetzt, und die Elektronen verbinden sich zu sogenannten Cooper-Paaren. Diese wandern, wie für Supraleiter typisch, reibungsfrei durch das zweidimensionale Graphengitter.

          Andrea Damascelli, Direktor des Quantum Matter Institute (QMI) an der University of British Columbia (UBC) in Vancouver

          Die Forscher um Andrea Damascelli von der University in British Columbia in Vancouver griffen die Ideen von Profeta auf und hatten offenbar Erfolg, wie sie in den „Proceedings“ der nationalen Amerikanischen Akademie der Wissenschaften berichten. Die Wissenschaftler, darunter auch Forscher vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, präparierten auf einer Unterlage aus Siliziumkarbid eine Monolage Graphen und schieden darauf dosiert Lithiumatome ab. Die Temperatur der Probe wurde schrittweise gesenkt.

          Bremse für schnelle Elektronen

          Den Hinweis, dass sich ein supraleitender Zustand ausgebildet hatte, erbrachte die Photoemissions-Spektroskopie: Damascelli und seine Kollegen regten die Graphen-Probe mit energiereichen Photonen an, die Elektronen aus dem Material herausschlugen. Im Energiespektrum der Elektronen war bei einer Temperatur von minus 267 Grad ein charakteristischer „Knick“ festzustellen. Dieser tritt bei allen klassischen Supraleitern auf und markierte den Übergang vom normalleitenden in den supraleitenden Zustand.

          Aus dem Verlauf des Photoelektronenspektrums schlossen die Forscher, dass die Elektronen, die sich bei Raumtemperatur mit einem Tempo von rund 1000 Kilometern pro Sekunde im Graphen bewegen, bei tiefen Temperaturen durch die Kopplung mit den Gitterschwingungen abgebremst werden. Dadurch würde, so die Vermutung, die Bildung der Cooper-Paare im Graphen erleichtert. Allerdings stehen noch zwei Messungen aus, damit die Forscher um Damascelli absolut sichergehen können, dass mit Lithium dotiertes Graphen bei minus 267 Grad zum perfekten Leiter wird: der Verlust des elektrischen Widerstands als auch der Meissner-Effekt. Hierbei wird ein äußeres Magnetfeld aus dem Inneren des supraleitendes Materials herausgedrängt. Für diese Untersuchungen müsste man die zweidimensionalen Graphen-Proben allerdings besonders präparieren.

          Zwei weitere Erfolgsmeldungen

          Forschergruppen aus Südkorea und aus England hatten bei ihren Bemühungen, Graphen in einen Supraleiter zu verwandeln, ebenfalls Erfolg. Allerdings bestanden ihre Proben aus mehreren übereinandergestapelten Graphenschichten. Dadurch war es ihnen experimentell möglich, das Verhalten des elektrischen Widerstands und von äußeren Magnetfelder bei tiefen Temperaturen zu verfolgen.

          Hyoyoung Lee und seine Kollegen von der Sungkyunkwan, Universität, die ihre Kohlenstoffflocken ebenfalls mit Lithiumatomen versetzt haben, maßen eine leicht höhere Sprungtemperatur als die Gruppe um Damascelli. Die Wissenschaftler von der University of Manchester um Andre Geim, der das Wundermaterial im Jahr 2004 entdeckte, konnten ihre Graphenschichten sogar durch den Einbau von Kalziumatomen in den supraleitenden Zustand befördern.

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