Graphen kann gleich mehrere Formen der Supraleitung bereitstellen

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben in Graphen gleich mehrere bislang unbekannte supraleitende Zustände entdeckt. Diese überstehen sogar die Störung durch starke Magnetfelder.

Physik aus dem Bleistift

Supraleitung beschreibt einen Zustand, in dem elektrischer Strom ohne jeden Widerstand durch ein Material fließen kann. Zwar sind weltweit Tausende supraleitende Materialien bekannt, doch dass ein einzelnes Material verschiedene Formen der Supraleitung beherbergt, gilt als außergewöhnlich.

Im Mittelpunkt der Forschungsarbeit, die im renommierten Journal Nature veröffentlicht wurde, steht sogenanntes rhomboedrisches Graphen. Dabei handelt es sich um natürliche Stapel aus vier oder fünf hauchdünnen Graphenschichten, die in gewöhnlichem Graphit vorkommen, also jenem Kohlenstoffmaterial, das auch in Bleistiftminen enthalten ist. Die einzelnen Schichten sind dabei leicht gegeneinander versetzt angeordnet und erinnern an die Stufen einer Treppe.


Um diese Strukturen zu untersuchen, lösten die Wissenschaftler dünne Schichten aus Graphit heraus und analysierten gezielt Proben mit der charakteristischen Stapelform. Anschließend veränderten sie die Zahl der Elektronen im Material und maßen dessen elektrische Eigenschaften bei extrem niedrigen Temperaturen sowie unter starken Magnetfeldern.

Dabei stießen die Forscher auf vier unterschiedliche supraleitende Zustände. Drei davon blieben selbst bei Magnetfeldern von bis zu neun Tesla erhalten, einer Feldstärke, die rund 180.000-mal stärker ist als das Magnetfeld der Erde. Normalerweise zerstören Magnetfelder die für die Supraleitung notwendigen Elektronenpaare.

Förderliches Magnetfeld

Besonders überraschend war eine weitere Beobachtung: In einer bestimmten Konfiguration nahm die Supraleitung unter einem senkrecht zum Material angelegten Magnetfeld sogar zu. Die kritische Temperatur, unterhalb derer das Material supraleitend wird, stieg dabei von etwa 55 auf rund 90 Millikelvin. Zudem konnte das Material deutlich höhere Ströme transportieren, bevor die Supraleitung zusammenbrach.

Wie diese ungewöhnlichen Effekte zustande kommen, ist bislang ungeklärt. Die Forscher vermuten, dass sich die Elektronen in einigen Fällen anders paaren als in herkömmlichen Supraleitern. Dadurch könnten die Elektronenpaare gegenüber Magnetfeldern wesentlich robuster sein.


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