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Überraschender Effekt

Verdrehtes Graphen wird supraleitend

Wunderfolie im Doppelpack: Aus zwei übereinandergelegten Graphenschichten macht der Moiré-Effekt ein neues Material mit erstaunlichen Eigenschaften.
Zwei übereinander liegende hexagonale Gitter erzeugen einen Moiré-Effekt

Der ganz große Hype um zweidimensionale Materialien wie die "Wunderfolie" Graphen ist ein bisschen abgeflaut, aber das heißt nicht, dass die Forschung stillsteht. Im Gegenteil, je weiter die nur atomdicken Materialien erforscht werden, desto mehr bizarre Eigenschaften legen sie an den Tag. Das zeigen zwei aktuelle Veröffentlichungen in "Nature", in denen ein Team um Yuan Cao vom MIT das seltsame Verhalten zweier aufeinandergelegter Graphenschichten untersucht, die geringfügig gegeneinander verdreht sind. Durch die Wechselwirkung der beiden Schichten entstehen neue elektronische Zustände, die je nach Anzahl der enthaltenen Elektronen entweder elektrisch isolierend wirken oder aber Strom ganz ohne Widerstand leiten.

Entscheidend ist, dass die beiden Graphenschichten nur sehr wenig gegeneinander verdreht sind – in der Größenordnung von einem Grad. Ist der Winkel größer, verhindert eine Energiebarriere, dass die Elektronen in beiden Schichten wechselwirken. Bei kleinen Winkeln dagegen bilden die beiden Schichten ein Moiré-Muster, eine regelmäßige Überlagerungsstruktur. Dadurch verhalten sich die beiden Schichten plötzlich wie ein neues zweidimensionales Gitter analog zu Graphen, nur statt der Kohlenstoffsechsecke mit den viel größeren Moiré-Mustern als Grundeinheit. Dadurch ändert sich auch die elektronische Struktur deutlich.

Wie Caos Arbeitsgruppe berichtet, sind für die besonderen Eigenschaften dieses Materials jene Bereiche, in denen die Atome beider Lagen direkt übereinanderliegen, besonders wichtig. In diesen Zonen sammeln sich die freien Elektronen, die für die Leitfähigkeit des Graphens verantwortlich sind. Diese Bereiche liegen viel weiter auseinander als die Atome eines normalen leitfähigen Materials. Außerdem ist das Moiré-Graphen entgegen jeder Erwartung nicht elektrisch leitend. Die Elektronen blockieren sich durch ihre Abstoßung gegenseitig, obwohl sie eigentlich frei beweglich sein sollten; ein Materiezustand, den man als Mott-Isolator bezeichnet.

Noch kurioser ist allerdings, was geschah, als die Arbeitsgruppe zusätzliche Elektronen in das Material pumpte. Statt nämlich noch stärker blockiert zu werden, erwiesen sich die Elektronen dann wieder als unverhofft beweglich – bei Temperaturen unter 1,7 Kelvin wird ein solches mit Elektronen angereichertes Doppelgraphen supraleitend. Erste Messungen, so die Forscher, deuten darauf hin, dass das Material mehr mit den exotischen Hochtemperatur-Supraleitern auf Keramikbasis gemeinsam hat als mit supraleitenden Elementen, deren Sprungtemperaturen sehr nah am absoluten Nullpunkt liegen.

10/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 10/2018

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