Physiker am MIT und an der Harvard University haben herausgefunden, dass sich Graphen an zwei elektrischen Extremen verhalten kann: erstens als Isolator, bei dem Elektronen am Fließen gehindert sind, und auch als Supraleiter, bei dem elektrischer Strom ohne Widerstand durchströmen kann.
Graphen wurde 2004 entdeckt und Wissenschaftler haben seitdem festgestellt, dass die wabenartige Schicht aus Kohlenstoffatomen das dünnste auf der Welt bekannte Material ist. Es ist außerdem leicht, flexibel, stark und sehr leitfähig.
Forscher haben in der Vergangenheit Graphen-Supraleiter synthetisiert, indem sie das Material mit anderen supraleitenden Metallen in Kontakt gebracht haben.
Dieses Mal hat das Team einen Weg gefunden, Graphen-Supraleitung selbst herzustellen. Dies zeigt, dass Supraleitung eine intrinsische Eigenschaft von Graphen sein kann, das ausschließlich auf Kohlenstoff basiert.
in einem "magischen Winkel" gelegt
Die Physiker haben dies erreicht, indem sie ein Übergitter aus zwei zusammengestapelten Graphenschichten erzeugt haben. Sie liegen nicht übereinander, sondern sind in einem Winkel von 1,1 Grad ganz leicht gedreht.
Das überlagerte hexagonale Wabenmuster ist leicht versetzt, wodurch eine Konfiguration entsteht, die schätzungsweise zu seltsamen, stark korrelierten Wechselwirkungen zwischen den Elektronen in den Graphenschichten führt.
In anderen gestapelten Konfigurationen würde Graphen unterschiedlich bleiben und nur sehr wenig mit den benachbarten Schichten interagieren. Das Team, das von Pablo Jarillo-Herrero, einem außerordentlichen Professor für Physik am MIT, geleitet wurde, stellte fest, dass die beiden Graphenschichten ein nichtleitendes Verhalten zeigtenbei Drehung in diesem Winkel ähnlich wie bei Mott-Isolatoren.
Dirigent werden
Die Forscher legten dann Spannung an und fügten dem Graphen-Übergitter kleine Mengen Elektronen hinzu. Sie stellten fest, dass die Elektronen ab einem bestimmten Grad aus dem Isolationszustand ausbrechen und ohne Widerstand wie durch einen Supraleiter fließen würden.
„Wir können jetzt Graphen als neue Plattform zur Untersuchung unkonventioneller Supraleitung verwenden“, Jarillo-Herrero sagt . “Man kann sich auch vorstellen, aus Graphen einen supraleitenden Transistor herzustellen, den man von supraleitend bis isolierend ein- und ausschalten kann. Das eröffnet Quantengeräten viele Möglichkeiten.“
Die Fähigkeit eines Materials, Elektrizität zu leiten, wird normalerweise in Form von Energiebändern angezeigt. Ein einzelnes Band repräsentiert den Energiebereich, den die Elektronen eines Materials haben können. Zwischen den Bändern besteht eine Energielücke. Wenn ein Band gefüllt ist, muss ein Elektron gefüllt seinverkörpern zusätzliche Energie, um diese Lücke zu überwinden und das nächste leere Band besetzen zu können. Ein Material ist ein Isolator, wenn das zuletzt besetzte Energieband vollständig mit Elektronen gefüllt ist.
Andererseits weisen elektrische Leiter wie Metalle teilweise gefüllte Energiebänder mit leeren Energiezuständen auf, in denen sich die Elektronen frei bewegen können. Wissenschaftler haben Wege gefunden, die elektronischen Eigenschaften von Mott-Isolatoren zu manipulieren, um sie in Supraleiter umzuwandeln.
Dies wird bei relativ hohen Temperaturen von etwa 100 Kelvin erreicht. Dazu beladen sie das Material chemisch mit Sauerstoff. Wenn genügend Sauerstoff hinzugefügt wird, verwandelt sich der Isolator in einen Supraleiter.
„Dies ist ein Problem, das 30 Jahre dauert und zählt, ungelöst“, Jarillo-Herrero sagt. „Diese Hochtemperatursupraleiter wurden zu Tode untersucht und weisen viele interessante Verhaltensweisen auf. Wir wissen jedoch nicht, wie wir sie erklären sollen.“
Via : MIT , Wissenschaftsnachrichten