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Supraleitendes Graphen : Die wundersame Zähmung des Wundermaterials

Die Zeichnung zeigt ein Modell der dünnsten Membrane der Welt, die aus Kohlenstoff hergestellt ist. Die Physiker flochten eine Art Maschendraht aus einer einzelnen Atomlage Kohlenstoff, so genanntem Graphen. Bild: Jannik Meyer/University of Manchester

Graphen, jene hauchdünne Schicht aus purem Kohlenstoff, besticht durch viele seiner einzigartigen Eigenschaften. Nun zählt auch die Supraleitung dazu. Der „magische Winkel“ macht es möglich.

          Auf dem Wundermaterial Graphen ruhen große Hoffnungen. Denn obwohl es nur aus einer Monolage Kohlenstoffatome besteht, die ein zweidimensionales Gitter bilden, und damit hauchdünn ist, zeigt es mechanische und elektrische Eigenschaften, die Werkstoffforscher in Stauen versetzen. Diese besondere Form von Kohlenstoff ist extrem reißfest, gleichzeitig elastisch, transparent und leitet Wärme und elektrischen Strom besser als Kupfer. Wissenschaftler vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge haben Graphen eine weitere elektrische Eigenschaft entlocken können: die Supraleitung. Elektrischer Strom kann darin ohne jeglichen Widerstand und folglich ohne Energieverlust fließen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Bei Graphen sind die Kohlenstoffatome 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 lange alle Bemühungen, es in den supraleitenden Zustand zu befördern. Bis auf eine Ausnahme: Vor drei Jahren ist es einer kanadisch-deutschen Forschergruppe gelungen, den verlustfreien Stromtransport in einer Graphenprobe hervorzurufen. Der Trick: Man bedampfte das Graphen mit Lithium, das bei minus 267 Grad selbst supraleitend wird. Die MIT-Forscher um Pablo Jarillo-Herrero haben Supraleitung jetzt ohne jeglichen  Zusatz von Fremdatomen auslösen können, wie sie in der Zeitschrift „Nature“ berichten.

          Moiré-Muster aus zwei Lagen Graphen: Rechts sind die beiden Graphen-Schichten um 1,1 Grad zueinander verdreht.

          Bei ihren Versuche legten Jarillo-Herrero und seine Kollegen zwei einzelne Monolagen Graphen übereinander, die sie zuvor auf einer Glasunterlage präpariert hatten. Allerdings nicht exakt, sondern so, dass die beiden dünnen Kohlenstoffschichten ein klein wenig gegeneinander verdreht waren. Als die Forscher den Winkel variierten, erlebten sie eine Überraschung. Bei einem  „magischen Winkel" von exakt 1,1 Grad änderten sich die elektrischen Eigenschaften der Probe schlagartig. Die zuvor normal leitfähige Probe verhielt sich plötzlich wie ein Isolator. Es konnte kein elektrischer Strom fließen. Wie die Forscher um Jarillo-Herrero schreiben, formen die beiden hexagonalen Kohlenstofflagen bei dem magischen Winkel eine Art Moiré-Muster. Das führe zu „ungewöhnlich starken Wechselwirkungen“ zwischen den Elektronen und den Kohlenstoffatomen in den beiden Graphen-Schichten. Trotz halb gefüllter Energiebänder könnten die Elektronen des Materials nicht frei entlang des hexagonalen Gitters bewegen. Die Forscher sprechen hier deshalb auch von einem Mott-Isolator. Bei einem normalen Isolator sind die Energiebänder gewöhnlich restlos gefüllt. Die Ladungsträger sind dadurch an den Atomen fixiert.

          Ein sanfter Spritzer Elektronen

          Und die Forscher um Jarillo-Herrero erlebten eine weitere Überraschung. Als sie eine kleine elektrische Spannung an die Graphenschichten legten und die Probe stark kühlten, verwandelte sich der Isolator plötzlich in einen Supraleiter. Elektronen konnten wieder frei umherwandern, dieses Mal aber ohne jeglichen elektrischen Widerstand.

          Untersuchungen zeigten, dass Graphen im supraleitenden Zustand offenbar weniger den klassischen Supraleitern ähnelt, als vielmehr den Hochtemperatur-Supraleitern, zu denen die Kupferoxid-Keramiken zählen. Der Mechanismus der unkonventionellen Supraleitung ist noch immer nur zum Teil verstanden. Die Forscher hoffen deshalb, dass sie „nun Graphen als neue Plattform für die Erforschung der unkonventionellen Supraleitung nutzen können“, sagt Pablo Jarillo-Herrero.

          Als eine mögliche Anwendung denkt er etwa an einen Transistor, den man zwischen dem supraleitenden und isolierenden Zustand hin und her schalten könnte. Entscheidend ist für die Forscher aber vor allem  der Umstand, dass man keine Fremdatome in das Graphen einschleusen muss, um die Supraleitung anzustoßen. Eine kleine elektrische Spannung von einem halben Millivolt ist vollkommen ausreichend, um zusätzliche Ladungsträger den verdrehten Kohlenstoffschichten zuführen zu können.

          Auch die bekannteren Varianten des Kohlenstoffs - Diamant, Graphit, Fullerenen und den Kohlenstoff-Nanoröhrchen -  werden supraleitend, allerdings nur, wenn gezielt Fremdatome einschleust. Auch bei der Supraleitung ist Graphen einzigartig.

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