Der magische Winkel: Forscher sind Graphen-Supraleitung auf der Spur

Forscher sind einer besonderen Form der Supraleitung in Graphen auf der Spur. Im Zuge dessen konnte nun die sogenannte Superfluid-Stei­fig­keit im "magischen Winkel" direkt messen - und somit, wie leicht sich Elektronen durch das Material bewegen können.

Messungen bisher schwierig

Man weiß bereits länger, dass Graphen als besondere Zustandsform des Koh­len­stoffs unter bestimmten Voraussetzungen supraleitend ist. 2018 entdeckte ein Team um Pablo Jarillo-Herrero vom MIT, dass zwei übereinandergelegte Gra­phen­schich­ten bei einem bestimmten Drehwinkel - dem sogenannten "magischen Win­kel" - kei­nen elektrischen Widerstand verursachen. Dabei bilden Elektronen­paare, soge­nannte Cooper-Paare, einen reibungs­freien Stromfluss.

Bisher war unklar, welches physikalische Prinzip hinter dieser speziellen Form der Supraleitung steckt. Die neuen Messungen deuten nun darauf hin, dass die Supraleitfähigkeit hier vor allem durch Quantengeometrie gesteuert wird - ein Konzept, das beschreibt, wie sich die Quantenzustände der Elektronen in einem Material verhalten.


Um die Superfluid-Steifigkeit zu messen, entwickelten die Forscher eine neue experimentelle Methode. Bisherige Techniken erforderten relativ große und dicke Proben, während Graphen mit magischem Winkel extrem dünn ist. Das Team kombinierte daher Graphen mit einem supraleitenden Aluminium-Mikro­wel­len­re­so­na­tor und konnte so die Verschiebung der Resonanzfrequenz messen, aus der sich die Superfluid-Steifigkeit ableiten lässt.

Enorme Steifigkeit

Die Ergebnisse zeigen, dass die ge­mes­se­ne Superfluid-Steifigkeit rund zehn­mal grö­ßer ist, als nach kon­ven­tio­nel­len Theo­rien er­war­tet. Dies liefert starke Hin­weise darauf, dass Quan­ten­geo­met­rie eine ent­schei­den­de Rol­le für die Supra­lei­tung in diesem Ma­te­ri­al spielt.

Die Forschungsergebnisse, die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wur­den, eröffnen unter anderem neue Perspektiven für die Entwicklung von Quan­ten­com­pu­tern. "Es gibt eine ganze Familie von zweidimensionalen Supra­lei­tern, die wir nun untersuchen können", sagt Joel Wang, einer der Haupt­au­to­ren der Studie.


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