Seit Jahrzehnten versuchen Fachleute, das Rätsel der Hochtemperatursupraleiter zu knacken – es gilt als der heilige Gral der Festkörperphysik. Denn Materialien, die auch bei Raumtemperatur Strom widerstandslos leiten, könnten eine neue Form der industriellen Revolution einleiten. Doch bislang ist unklar, welcher Mechanismus dafür verantwortlich ist, dass gewisse Klassen von Supraleitern den Strom bei vergleichsweise hohen Temperaturen (die immer noch deutlich unterhalb der Raumtemperatur liegen) widerstandsfrei transportieren.

Umso aufgeregter war die Fachcommunity im Jahr 2018, als sich herausstellte, dass Doppelschichten von Graphen supraleitende Eigenschaften besitzen. »Die Natur schien uns ein einfaches Material zu bieten, mit dem wir die Mechanismen hinter der Supraleitung erforschen können«, schreibt der Physiker Efthimios Kaxiras von der Harvard University in einem Artikel bei »Physics«.

Jahrelang debattierten Fachleute, ob die Graphenschichten eine gut verstandene, konventionelle Form der Supraleitung zeigen – oder ob die Elektronen einem komplizierteren Mechanismus folgen, der auch Hochtemperatursupraleitern innewohnt. Eine in der Fachzeitschrift »Physical Research X« erschienene Studie präsentiert nun Ergebnisse, die die Debatte beilegen könnten: Die neuesten Experimente stützen die These, dass Graphen-Doppelschichten unkonventionelle Supraleiter sind.

Hype um das erste 2D-Material

Graphen war das erste stabile, rein zweidimensionale Material, das die Welt gesehen hat. Im Jahr 2004 gelang es Forschenden erstmals, eine einatomige Schicht von Graphit zu extrahieren, die aus in einem Sechseck angeordneten Kohlenstoffatomen besteht. Schnell brach ein regelrechter Hype um den Stoff aus, der inzwischen längst wieder abgeklungen ist. Doch eine Eigenschaft von Graphen beschäftigt die Fachwelt noch heute: seine seltsame Form der Supraleitung. 

Wenn man nämlich zwei Schichten von Graphen übereinanderlegt und die eine Schicht um einen Winkel von exakt 1,1 Grad gegenüber der anderen verdreht, transportiert der Stoff unterhalb einer Temperatur von wenigen Kelvin (einige wenige Grad Celsius über dem absoluten Temperaturnullpunkt) Strom widerstandsfrei.

Diese niedrige Temperaturschwelle passt eigentlich zu gewöhnlichen Supraleitern: Schwingungen im Kristallgitter erzeugen eine anziehende Kraft, durch die sich Elektronenpaare bilden, sogenannte Cooperpaare. Diese nehmen einen kollektiven Zustand ein, der es ihnen ermöglicht, sich reibungsfrei und ohne Energieverluste durch ein Material zu bewegen. Bei Hochtemperatursupraleitern sind es hingegen andere – kompliziertere – Mechanismen, die zur Bildung solcher Elektronenpaare führen. Diese Vorgänge zu verstehen, ist seit Jahrzehnten ein Ziel des Fachs.

»Die hohe Temperaturschwelle bei Graphen kann irreführend sein«, erklärt Kaxiras. Denn viele Eigenschaften der Graphen-Doppelschichten deuten darauf hin, dass eine unkonventionelle Form der Supraleitung vorliegt. Im Lauf der Jahre wurden vieleverschiedeneErklärungen für den Elektronenbindungsprozess vorgebracht – doch ein Nachweis blieb aus. »Es war nach wie vor möglich, dass die Supraleitung auf einer herkömmlichen, durch Schwingungen vermittelten Anziehungskraft beruht«, so Kaxiras.

Plasmonen als Erklärung?

Doch nun hat ein Team um Julien Barrier von der University of Manchester Hinweise darauf gefunden, dass die Supraleitung in Graphen-Doppelschichten keineswegs konventionell ist. Hierfür haben die Fachleute die durch Gitterschwingungen vermittelte Anziehungskraft mithilfe eines ausgeklügelten experimentellen Aufbaus verstärkt. Bei konventionellen Supraleitern erhöht das die Temperaturschwelle. Doch bei den Graphen-Doppelschichten war das Gegenteil der Fall: Durch die Manipulation des Stoffs verschwand die supraleitende Phase vollständig.

»Nachdem sie verschiedene Erklärungen ausgeschlossen hatten, kamen die Forschenden zu dem Schluss, dass dieses Verschwinden ein starkes Indiz dafür ist, dass die Supraleitung von Graphen-Doppelschichten höchstens sehr schwach von der durch Gitterschwingungen vermittelten Anziehung abhängt«, erklärt Kaxiras.

In einem weiteren Schritt entwickelten die Fachleute um Barrier eine Computersimulation, die ein vereinfachtes Modell der Graphen-Doppelschichten untersuchte. Das Forschungsteam fand dabei heraus, dass eine durch sogenannte Plasmonen verursachte Anziehung der Elektronen die experimentellen Ergebnisse erklären könnte. Demnach sind es Schwingungen in den Elektronen des Graphengitters, die zu einer Anziehung der Leitungselektronen führen.

»Das bietet zwar einen plausiblen Paarungsmechanismus«, erklärt Kaxiras, »aber die plasmonenbasierte Paarung ist nur einer der möglichen Mechanismen, die der unkonventionellen Supraleitung zugrunde liegen – Theoretiker müssen daher auch andere Möglichkeiten in Betracht ziehen.« Künftige Experimente und komplexere Simulationsmodelle könnten in den nächsten Jahren Aufschluss darüber geben – und die Fachwelt vielleicht einer Lösung des größten Rätsels der Festkörperphysik näherbringen.