Quanteneffekte könnten dabei helfen, verdrilltes zweischichtiges Graphen zu einem Supraleiter zu machen

Die Quantengeometrie spielt eine Schlüsselrolle, wenn es darum geht, ein als Twisted Bilayer Graphen (tBLG) bekanntes Material zu einem Supraleiter zu machen, so neue Experimente von Physikern bei Die Ohio State University, Die Universität von Texas in Dallasund der Nationales Institut für Materialwissenschaft in Japan. Das Ergebnis impliziert, dass die weit verbreiteten Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)-Gleichungen für Supraleiter für Materialien wie tBLG mit sehr langsam beweglichen Ladungen modifiziert werden müssen. Es könnte auch dazu beitragen, neue Leitprinzipien bei der Suche nach neuen Supraleitern bereitzustellen, die bei höheren Temperaturen arbeiten, sagen die Forscher.

Graphen ist ein zweidimensionaler Kristall aus Kohlenstoffatomen, die in einem Wabenmuster angeordnet sind. Dieses sogenannte „Wundermaterial“ weist viele außergewöhnliche Eigenschaften auf, darunter eine hohe elektrische Leitfähigkeit, da Ladungsträger (Elektronen und Löcher) mit sehr hoher Geschwindigkeit durch das Kohlenstoffgitter sausen.

Im Jahr 2018 führten Forscher von Pablo Jarillo-Herrero vom MIT fanden heraus, dass, wenn zwei solcher Blätter mit einer kleinen Winkelfehlausrichtung übereinander angeordnet werden, sie eine Struktur bilden, die als Moiré-Übergitter bekannt ist. Und wenn der Verdrillungswinkel zwischen ihnen den (theoretisch vorhergesagten) „magischen Winkel“ von 1.08° erreicht, beginnt diese „verdrillte“ Doppelschichtkonfiguration Eigenschaften wie Supraleitfähigkeit unterhalb einer bestimmten kritischen Temperatur zu zeigen, T_c, – das heißt, er leitet den Strom ohne Widerstand.

Unter diesem Winkel ändert sich die Art und Weise, wie sich Elektronen in den beiden gekoppelten Schichten bewegen, weil sie nun gezwungen sind, sich bei gleicher Energie zu organisieren. Dies führt zu „flachen“ elektronischen Bändern, in denen Elektronenzustände trotz unterschiedlicher Impulse genau die gleiche Energie haben. Diese flache Bandstruktur macht Elektronen dispersionslos – das heißt, ihre kinetische Energie wird vollständig unterdrückt und sie können sich nicht im Moiré-Gitter bewegen. Das Ergebnis ist, dass die Partikel fast zum Stillstand kommen und an bestimmten Positionen entlang der gekoppelten Schichten lokalisiert werden.

Ein Leitungsparadoxon

Bei der neuen Arbeit führten die Forscher die von Markus Bockrath und Jeanie Lau, zeigten, dass sich Elektronen in tBLG mit einer Geschwindigkeit von etwa 700–1200 m/s bewegen. Dies mag konventionell schnell erscheinen, ist aber tatsächlich um den Faktor 1000 langsamer als die Geschwindigkeit von Elektronen in Monoschicht-Graphen.

„Diese Geschwindigkeit stellt eine Eigengeschwindigkeit für Elektronen in tBLG dar und damit auch eine Grenze dafür, wie viel Strom das Material tragen kann, egal ob es supraleitend oder metallisch ist“, erklärt Lau. „Diese langsame Geschwindigkeit führt zu einem Paradoxon: Wie leitet tBLG Strom, geschweige denn Supraleitung, wenn sich die Elektronen so langsam bewegen?“

„Die Antwort ist die Quantengeometrie“, sagt sie.

Gewöhnliche Geometrie bezieht sich darauf, wie Punkte oder Objekte räumlich zusammenhängen – zum Beispiel, wie weit sie voneinander entfernt sind und wie sie verbunden sind. Die Quantengeometrie ist ähnlich, beschreibt aber die Quantennatur von Elektronen, die nicht nur Teilchen, sondern auch Wellen sind und daher Wellenfunktionen haben, und wie sich diese Wellenfunktionen verbinden und vernetzen. „Dieser Beitrag erweist sich als entscheidend, um Supraleitung zu ermöglichen“, sagt Bockrath Physik-Welt. „Statt schnell bewegter Elektronen sind die reichen Verbindungen von Elektronenwellenfunktionen wichtig.“

Die meisten heutigen Supraleiter werden durch die BCS-Theorie (benannt nach ihren Entdeckern Bardeen, Cooper und Schrieffer) beschrieben. Diese Theorie erklärt, warum die meisten metallischen Elemente unterhalb ihrer supraleitend sind T_c: Ihre fermionischen Elektronen paaren sich, um Bosonen zu erzeugen, die Cooper-Paare genannt werden. Diese Bosonen bilden ein phasenkohärentes Kondensat, das als streuungsfreier Suprastrom durch das Material fließen kann, und die Supraleitung ist eine Folge davon.

Kurze elektrische Pulse schalten die Supraleitung in Graphen mit magischem Winkel ein und aus

Die Theorie greift jedoch zu kurz, wenn es darum geht, die Mechanismen hinter Hochtemperatur-Supraleitern zu erklären. Tatsächlich gilt der Mechanismus, der der Hochtemperatur-Supraleitung zugrunde liegt, als eines der grundlegenden ungelösten Probleme der Physik.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die BCS-Gleichungen auch für Supraleiter wie tBLG mit sehr langsam bewegten Ladungen modifiziert werden müssen“, sagt Lau. „Unsere Arbeit kann auch neue Leitprinzipien bei der Suche nach neuen Supraleitern liefern, die bei höheren Temperaturen arbeiten können als die bekannten“, ergänzt Bockrath.

Das Team wird nun tBLG weiter untersuchen, um die Rolle der Quantengeometrie in Zusammenarbeit mit Theoretikern zu quantifizieren und zu verstehen.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-could-help-make-twisted-bilayer-graphene-a-superconductor/