https://www.faz.net/-gwz-87uqg

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.

          Weitere Themen

          Endlich Licht in der Black Box

          Klug verdrahtet : Endlich Licht in der Black Box

          Künstliche Intelligenz lenkt und entscheidet schon, aber sie lässt im Dunkeln, wie genau sie dabei vorgeht. Zwei Algorithmen aus der Medizinforschung führen vor, was wir gewinnen, wenn Rechner Auskunft geben (müssen).

          Das Schöne, Wahre und Schmutzige Video-Seite öffnen

          Physikästhetik : Das Schöne, Wahre und Schmutzige

          Seit 400 Jahren lassen Physiker sich bei der Suche nach brauchbaren Theorien über die Natur von ästhetischen Erwägungen leiten. Heute wird bezweifelt, ob das grundsätzlich eine gute Idee ist. Zu Unrecht.

          Frauen sind in wärmeren Räumen produktiver

          Arbeitsumfeld : Frauen sind in wärmeren Räumen produktiver

          In Büros sollten höhere Temperaturen eingestellt werden, empfehlen Forscher aus Berlin und den Vereinigten Staaten. Sie haben ein Experiment gemacht, demzufolge Frauen mit zunehmender Wärme leistungsfähiger werden. Aber was ist mit den Männern?

          Topmeldungen

          Die Koalition nach den Wahlen : Warum die SPD untergeht

          Für die SPD könnte es nicht schlimmer kommen, und die Partei Helmut Kohls geht durch eine Riesenblamage. Die Abgeordneten der Koalition müssen sich fragen: Wie tief wollen wir noch sinken?

          Trauer und Jubel in Berlin : Den Grünen gehen die Superlative aus

          Während bei den Grünen die Freude über die Wahlergebnisse in Europa und in Bremen „wahnwitzig“ groß ist, ist die Stimmung bei der Union schon vor der Verkündung der Prognosen auf dem Tiefpunkt. Und bei der SPD wackelt die Parteichefin nach dem Doppeltiefschlag.

          Europawahl : Le Pens Rechtspopulisten führen in Frankreich

          Marine Le Pens Rassemblement National hat in Frankreich die Liste von Staatspräsident Emmanuel Macron überholt. Im Europaparlament werden Christ- und Sozialdemokraten ihre Mehrheit verlieren.

          SPD-Debakel in Bremen : Untergang an der Weser

          In Bremen ist das Historische geschehen: Zum ersten Mal seit 73 Jahren liegt die CDU vor der SPD, die ihr schlechtestes Ergebnis seit Bestehen der Bundesrepublik verkraften muss. Wie soll sie aus diesem Tief wieder herauskommen?

          Newsletter

          Immer auf dem Laufenden Sie haben Post! Abonnieren Sie unsere FAZ.NET-Newsletter und wir liefern die wichtigsten Nachrichten direkt in Ihre Mailbox. Es ist ein Fehler aufgetreten. Bitte versuchen Sie es erneut.
          Vielen Dank für Ihr Interesse an den F.A.Z.-Newslettern. Sie erhalten in wenigen Minuten eine E-Mail, um Ihre Newsletterbestellung zu bestätigen.