Wissenschaftler haben definitiv bestätigt, dass speziell verdrillte Graphenschichten Supraleitung aufweisen, ein Phänomen, bei dem Materialien Elektrizität ohne Widerstand leiten. Die neuesten Erkenntnisse, die am 6. November in Science veröffentlicht wurden, untermauern die Annahme, dass dieses Graphen mit „magischem Winkel“ zu einer rätselhaften Klasse von Supraleitern gehört, die sich konventionellen Erklärungen entziehen. Diese Entdeckung könnte ein entscheidender Schritt zum Verständnis und zur Entwicklung von Supraleitern sein, die unter weniger extremen Bedingungen funktionieren, möglicherweise sogar bei Raumtemperatur.
Das Rätsel der unkonventionellen Supraleitung
Supraleiter sind wegen ihrer Effizienz bei der Energieübertragung seit langem gefragt, doch die meisten benötigen für den Betrieb extrem niedrige Temperaturen. Herkömmliche Supraleiter basieren auf der Paarung von Elektronen durch Wechselwirkungen mit der atomaren Struktur des Materials. In den 1980er Jahren fanden Forscher jedoch Materialien – wie Kuprate –, die auf eine Weise supraleitend waren, die dieses Modell nicht erklären konnte. Diese unkonventionellen Supraleiter sind noch immer kaum erforscht, bergen aber Potenzial für praktischere Anwendungen.
Wie verdrehtes Graphen hineinpasst
Der Schlüssel liegt darin, Graphenschichten (einschichtiger Kohlenstoff) zu stapeln und sie in einem präzisen „magischen Winkel“ zu verdrehen. Im Jahr 2018 beobachteten Forscher unter der Leitung von Pablo Jarillo-Herrero erstmals Supraleitung in dieser Konfiguration, ein endgültiger Beweis blieb jedoch aus. Jetzt hat das Team überzeugende Beweise dafür geliefert, dass sich dreischichtiges verdrilltes Graphen wie andere unkonventionelle Supraleiter verhält, einschließlich der Anwesenheit von Knoten in seiner Energielücke.
Knoten bedeuten, dass Elektronen in bestimmte Richtungen nicht zu Paaren (Cooper-Paaren) gebunden sind – ein Kennzeichen vieler unkonventioneller Materialien. Die Energielücke, die bestimmt, wie viel Energie zum Aufbrechen dieser Paare benötigt wird, variiert je nach Impuls der Elektronen. Dieses Verhalten wurde durch die Herstellung eines Graphen-Isolator-Graphen-Sandwichs und die Messung des Elektronentunnelns bestätigt, wodurch die Struktur der Energielücke sichtbar wurde.
Einfachheit als Vorteil
Der Reiz von Graphen mit magischem Winkel liegt nicht nur in seinen supraleitenden Eigenschaften, sondern auch in seiner Einfachheit. „Das ist ein chemisch makelloses System. Es ist nur Kohlenstoff“, erklärt der Physiker Ali Yazdani. Im Gegensatz zu komplexen Cupraten bietet Graphen eine sauberere Umgebung für die Untersuchung der grundlegenden Physik unkonventioneller Supraleitung.
Der Weg nach vorne
Der wachsende Konsens unter Wissenschaftlern – gestützt durch mehrere experimentelle Bestätigungen – legt nahe, dass verdrehtes Graphen das ideale Testgelände für die Entwicklung einer einheitlichen Theorie der unkonventionellen Supraleitung sein könnte. Wenn Forscher die zugrunde liegenden Mechanismen entschlüsseln können, könnten sie Materialien entwickeln, die bei höheren Temperaturen supraleitend sind, und so die Energietechnologie revolutionieren.
Je konsistenter die Beweise aus verschiedenen Experimenten sind, desto näher kommen wir einem Durchbruch. Zu verstehen, wie diese Materialien funktionieren, wird Möglichkeiten eröffnen, die wir uns noch nicht einmal vorgestellt haben.
