Die Struktur könnte die Voraussetzungen für Hochtemperatur-Supraleitung aufzeigen.
Wenn zwei Graphenblätter im richtigen Winkel übereinander gestapelt werden, verwandelt sich die Schichtstruktur in einen unkonventionellen Supraleiter, durch den elektrische Ströme ohne Widerstand oder Energieverschwendung fließen können.
Diese “magische Winkel”-Umwandlung in zweischichtigem Graphen wurde erstmals 2018 in der Gruppe von Pablo Jarillo-Herrero, dem Cecil and Ida Green Professor of Physics am MIT, beobachtet.
Seitdem haben Wissenschaftler im aufstrebenden Bereich der “Twistronik” nach anderen Materialien gesucht, die auf ähnliche Weise in die Supraleitfähigkeit verdreht werden können. Bislang hat jedoch kein anderes verdrilltes Material als das ursprüngliche verdrillte zweischichtige Graphen Supraleitfähigkeit gezeigt.
In einem in der Zeitschrift Nature erschienenen Artikel berichten Jarillo-Herrero und seine Gruppe über die Beobachtung von Supraleitung in einem Sandwich aus drei Graphenschichten, von denen die mittlere Schicht in einem neuen Winkel zu den äußeren Schichten verdreht ist. Diese neue Dreischichtkonfiguration weist eine robustere Supraleitung auf als ihr zweischichtiges Gegenstück.
Die Forscher können die Supraleitfähigkeit der Struktur auch durch Anlegen und Variieren der Stärke eines externen elektrischen Feldes einstellen. Durch die Abstimmung der Dreischichtstruktur konnten die Forscher ultrastark gekoppelte Supraleitung erzeugen, eine exotische Art von elektrischem Verhalten, das bisher in keinem anderen Material beobachtet wurde.
“Es war nicht klar, ob zweischichtiges Graphen mit magischem Winkel eine Ausnahmeerscheinung ist, aber jetzt wissen wir, dass es nicht allein ist; es hat einen Cousin in der Dreischichtstruktur”, sagt Jarillo-Herrero. “Die Entdeckung dieses hypertunen Supraleiters erweitert das Feld der Twistronik in völlig neue Richtungen, mit potenziellen Anwendungen in der Quanteninformation und in der Sensortechnologie.”
Seine Koautoren sind die Hauptautoren Jeong Min Park und Yuan Cao vom MIT sowie Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi vom National Institute of Materials Science in Japan.
Eine neue Superfamilie
Kurz nachdem Jarillo-Herrero und seine Kollegen entdeckt hatten, dass Supraleitung in verdrehtem zweischichtigem Graphen erzeugt werden kann, schlugen Theoretiker vor, dass dasselbe Phänomen auch in drei oder mehr Graphenschichten auftreten könnte.
Ein Graphenblatt ist eine hauchdünne Schicht aus Graphit, die vollständig aus Kohlenstoffatomen besteht, die in einem wabenförmigen Gitter angeordnet sind, wie der dünnste und stabilste Hühnerdraht.
Die Theoretiker schlugen vor, dass, wenn drei Graphenschichten wie ein Sandwich gestapelt würden, wobei die mittlere Schicht gegenüber den äußeren Schichten um 1,56 Grad gedreht wäre, die verdrehte Konfiguration eine Art von Symmetrie schaffen würde, die die Elektronen in dem Material dazu bringen würde, sich zu paaren und ohne Widerstand zu fließen – das Markenzeichen der Supraleitung.
“Wir dachten uns, warum nicht, probieren wir es aus und testen wir diese Idee”, sagt Jarillo-Herrero.
Park und Cao stellten dreischichtige Graphenstrukturen her, indem sie ein einzelnes hauchdünnes Graphenblatt sorgfältig in drei Abschnitte zerschnitten und jeden Abschnitt in genau den von den Theoretikern vorhergesagten Winkeln übereinander stapelten.
Sie fertigten mehrere dreischichtige Strukturen an, die jeweils nur wenige Mikrometer groß (etwa 1/100 des Durchmessers eines menschlichen Haares) und drei Atome hoch sind.
“Unsere Struktur ist ein Nanosandwich”, sagt Jarillo-Herrero.
Das Team brachte dann an beiden Enden der Strukturen Elektroden an und ließ einen elektrischen Strom hindurchfließen, während es die Menge der im Material verloren gegangenen oder abgeleiteten Energie maß.
“Wir konnten keine Energieverluste feststellen, was bedeutet, dass es sich um einen Supraleiter handelt”, sagt Jarillo-Herrero. “Wir müssen den Theoretikern Anerkennung zollen – sie haben den Winkel richtig eingeschätzt.”
Er fügt hinzu, dass die genaue Ursache für die Supraleitfähigkeit der Struktur – ob sie nun auf die Symmetrie zurückzuführen ist, wie die Theoretiker vorschlugen, oder nicht – noch nicht bekannt ist und dass die Forscher planen, dies in zukünftigen Experimenten zu testen.
“Im Moment haben wir eine Korrelation, keine Kausalität”, sagt er. “Jetzt haben wir zumindest einen Weg, um möglicherweise eine große Familie neuer Supraleiter zu erforschen, die auf dieser Symmetrie-Idee basiert.”
“The Biggest Bang”
Bei der Erforschung ihrer neuen Dreischichtstruktur stellte das Team fest, dass sie die Supraleitfähigkeit auf zwei Arten steuern können. Mit ihrer früheren Doppelschichtstruktur konnten die Forscher die Supraleitfähigkeit durch Anlegen einer externen Gatespannung einstellen, um die Anzahl der durch das Material fließenden Elektronen zu verändern.
Während sie die Gatespannung nach oben und unten regelten, maßen sie die kritische Temperatur, bei der das Material keine Energie mehr abgibt und supraleitend wird. Auf diese Weise konnte das Team die Supraleitfähigkeit von zweischichtigem Graphen ein- und ausschalten, ähnlich wie bei einem Transistor.
Das Team verwendete die gleiche Methode, um dreischichtiges Graphen einzustellen. Außerdem entdeckten sie eine zweite Möglichkeit, die Supraleitfähigkeit des Materials zu steuern, die bei zweischichtigem Graphen und anderen verdrehten Strukturen nicht möglich war.
Durch den Einsatz einer zusätzlichen Elektrode konnten die Forscher ein elektrisches Feld anlegen, um die Verteilung der Elektronen zwischen den drei Schichten der Struktur zu verändern, ohne die Gesamtelektronendichte der Struktur zu verändern.
“Diese beiden unabhängigen Regler geben uns nun viele Informationen über die Bedingungen, unter denen Supraleitung auftritt, was uns Einblicke in die entscheidende Physik für die Bildung eines solch ungewöhnlichen supraleitenden Zustands geben kann”, sagt Park.
Durch den Einsatz beider Methoden zur Abstimmung der Dreischichtstruktur konnte das Team Supraleitung unter einer Reihe von Bedingungen beobachten, darunter auch bei einer relativ hohen kritischen Temperatur von 3 Kelvin, selbst wenn das Material eine geringe Elektronendichte aufwies. Im Vergleich dazu hat Aluminium, das als Supraleiter für Quantencomputer erforscht wird, eine viel höhere Elektronendichte und wird erst bei etwa 1 Kelvin supraleitend.
“Wir haben herausgefunden, dass Graphen mit magischen Winkeln der am stärksten gekoppelte Supraleiter ist, was bedeutet, dass es bei einer relativ hohen Temperatur supraleitend ist, wenn man bedenkt, wie wenige Elektronen es haben kann”, sagt Jarillo-Herrero. “Es bietet den größten Nutzen für das Geld.”
Die Forscher planen, verdrillte Graphenstrukturen mit mehr als drei Schichten herzustellen, um herauszufinden, ob solche Konfigurationen mit höherer Elektronendichte auch bei höheren Temperaturen, sogar in der Nähe der Raumtemperatur, Supraleitfähigkeit aufweisen können.
“Wenn wir diese Strukturen in industriellem Maßstab herstellen könnten, wären wir in der Lage, supraleitende Bits für Quantenberechnungen, kryogene supraleitende Elektronik, Photodetektoren usw. zu entwickeln. Wir haben noch nicht herausgefunden, wie man Milliarden davon auf einmal herstellen kann”, sagt Jarillo-Herrrero.
“Unser Hauptziel ist es, herauszufinden, was der stark gekoppelten Supraleitung zugrunde liegt”, sagt Park. “Dreischichtiges Graphen ist nicht nur der am stärksten gekoppelte Supraleiter, der je gefunden wurde, sondern auch der am besten abstimmbare. Mit dieser Abstimmbarkeit können wir die Supraleitung wirklich überall im Phasenraum erforschen.”
Referenz: “Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twisted trilayer graphene” von Jeong Min Park, Yuan Cao, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi und Pablo Jarillo-Herrero, 1. Februar 2021, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-03192-0
Diese Forschung wurde zum Teil vom Energieministerium, der National Science Foundation, der Gordon and Betty Moore Foundation und der Ramon Areces Foundation unterstützt.
