Neue Theorie erklärt Supraleitung in gesponnenen Graphen-Trilayern
Studie legt den Grundstein für das Verständnis der Mechanismen bestimmter unkonventioneller supraleitender Materialien
In einer Studie unter der Leitung von Forschern des Spanischen Nationalen Forschungsrats (CSIC) ist es gelungen, die wesentlichen Aspekte der Supraleitung (die Fähigkeit bestimmter Materialien, elektrischen Strom ohne Energieverlust zu leiten) in gesponnenen Graphen-Dreischichten zu erklären, die durch die Drehung von drei Graphenschichten in einem sehr präzisen Winkel erreicht werden. Die Ergebnisse, die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurden, bilden die Grundlage für das Verständnis der Funktionsweise bestimmter unkonventioneller Supraleiter, die sich dem Verständnis der wissenschaftlichen Gemeinschaft noch entziehen.
Vor fünf Jahren entdeckten Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) unter der Leitung des valencianischen Physikers Pablo Jarillo-Herrero, dass es möglich ist, die elektronischen Eigenschaften von Graphen zu verändern, indem man den Drehwinkel zwischen zwei seiner Schichten auf eine sehr präzise, fast magische Weise verändert. Graphen, ein Material, das aus einer Gruppierung von hexagonal angeordneten Kohlenstoffatomen besteht, wurde so zu einem Supraleiter, der in der Lage ist, Elektrizität zu transportieren, ohne Energie abzugeben, was sehr ungewöhnlich ist.
"Supraleitung, ein Phänomen, das in Metallen wie Quecksilber, Lithium oder Titan bei niedrigen Temperaturen häufig auftritt, lässt sich durch die Paarung von Elektronen (in sogenannten Cooper-Paaren) aufgrund der Wechselwirkung der Elektronen mit den Schwingungen oder Phononen des Atomgitters erklären. In gesponnenen Graphenschichten gibt es jedoch Hinweise darauf, dass die Supraleitung nicht durch einen solchen konventionellen Mechanismus unterstützt werden kann, was die theoretischen Bemühungen um eine Erklärung bisher behindert hat", erklärt José González Carmona, CSIC-Forscher am Institut für die Struktur der Materie (IEM-CSIC).
Nun schlagen González Carmona und Tobias Stauber vom Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) eine theoretische Konstruktion vor, die einen unkonventionellen Mechanismus der Supraleitung beinhaltet, der auf der Elektron-Elektron-Wechselwirkung selbst beruht, die in Kohlenstoffmaterialien wie Graphen vorherrscht. Diese Art der Elektron-Elektron-Paarung verleiht eine große Stabilität, da sie verhindert, dass Cooper-Paare durch bestimmte Magnetfelder zerstört werden, wie es bei der herkömmlichen Supraleitung der Fall sein kann. "Die von uns vorgeschlagene Idee ist bahnbrechend für diese Kohlenstoffmaterialien und führt zu einer Supraleitung mit einem besonderen Charakter, dem so genannten Ising-Typ in ähnlichen zweidimensionalen Systemen", sagt González Carmona.
Die Wissenschaftler, die die Ressourcen des Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA) und des Supercomputing-Clusters Drago, das auf dem zentralen Campus des CSIC in Madrid installiert ist, genutzt haben, haben Berechnungswerkzeuge eingesetzt, um diese Methode mit hoher Zuverlässigkeit zu entwerfen, die in der Lage ist, die Gesamtzahl der Atome (etwa 8.000 in der Einheitszelle der gesponnenen Trilayer) zu beschreiben. "Das Modell, mit dem wir die gesponnenen Graphenschichten behandelt haben und das es uns ermöglicht hat, die Details auf atomarer Ebene zu erfassen, hat entscheidend dazu beigetragen, den Schlüssel für den neuen Mechanismus der Supraleitung zu finden, den wir vorschlagen", sagt Stauber.
Auf dem Weg zu Supraleitern bei Raumtemperatur
Unmittelbar nach Bekanntwerden der Entdeckung von Jarillo-Herrero stellte die wissenschaftliche Gemeinschaft Ähnlichkeiten zwischen der Supraleitung in den gesponnenen Graphenschichten und dem Verhalten eines anderen Materialtyps fest: hochtemperatursupraleitende Kupferoxide. "Diese Materialien haben sich mehr als 30 Jahre lang einer überzeugenden theoretischen Erklärung widersetzt. Sowohl in diesem Fall als auch bei Graphen handelt es sich um Materialien, die eine neue Physik beinhalten. Daher ist es wichtig, den Weg zu einem neuen Paradigma zu finden, das eine Reihe von Systemen umfasst, bei denen die Eigenschaften durch die Elektron-Elektron-Wechselwirkung und nicht durch die Elektron-Phonon-Wechselwirkung bestimmt werden", sagt Stauber.
Derzeit sind supraleitende Materialien noch weit von leicht zugänglichen Temperaturen entfernt, was es ihnen erschwert, den Markt vollständig zu erreichen. Deshalb versuchen die Physiker der kondensierten Materie immer noch, die Supraleitung bei Raumtemperatur zu erreichen.
Unsere theoretische Konstruktion", so González Carmona, "könnte den Weg zum Verständnis eines neuen Mechanismus der Supraleitung öffnen, der sich der herkömmlichen Beschreibung entzieht. Diese neue Physik wird von Kupferoxiden gefordert, die einst als eine Möglichkeit angesehen wurden, Supraleitung bei Raumtemperatur zu erreichen. Dies ist nach wie vor ein sehr attraktives Ziel in der Physik der kondensierten Materie, das möglicherweise neue Paradigmen erfordert, wie wir sie mit unserer Forschung vorschlagen.
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