Supraleitender grauer Zinn

  • 18. January 2018

Stanen mit drei Atomlagen zeigt über­raschend Supra­leitung.

Im Jahr 1933 hatten Walther Meißner und Robert Ochsen­feld an einer Zinn-Probe nach ihnen benannten Effekt ent­deckt, dem­zu­folge Supra­leiter ein von außen ange­legtes Magnet­feld aus ihrem Inneren ver­drängen. Der Nach­weis dieses Effekts gilt heute noch als Schlüssel zum sicheren Beleg der Supra­leit­fähig­keit eines Materials. Interes­santer­weise liegt Zinn je nach Kristall­struktur in unter­schied­lichen mög­lichen Konfi­gura­tionen vor, bei Raum­tempe­ratur etwa als α-Zinn („grauer Zinn“) mit kubischem Diamant­gitter oder als β-Zinn („weißer Zinn“) mit okta­edrischem Kristall­gitter.

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Abb.: Rechts zu sehen sind das Substrat, auf dem drei Atom­lagen Stanen auf­ge­bracht sind, links oben ein­lagiges Stanen und darunter die atomaren Abstände. (Bild: M. Liao et al. / NPG)

Zinn ist als Volumenmaterial supraleitend, aber nur in der weißen β-Phase. Das graue α-Zinn zeigt keine Supra­leitung. Atomar dünne Schichten aus Zinn werden analog zu kohlen­stoff­basiertem Graphen „Stanen“ genannt und liegen ebenso wie Graphen in hexa­gonaler Honig­waben-Struktur vor. Die Atome im Stanen liegen aller­dings nicht völlig eben, sondern sind leicht nach oben und unten ver­schoben. Da Stanen struk­tu­rell der α-Phase ent­spricht, würde man keine Supra­leit­fähig­keit erwarten. Wie ein inter­natio­nales Forscher­team um Qi-Kun Xue von der Tsinghua-Univer­sität in Peking jetzt heraus­ge­funden hat, zeigt drei­lagiges Stanen über­raschender­weise aber doch Supra­leit­fähig­keit.

Die Wissenschaftler waren eigentlich auf der Suche nach dem Quanten-Spin-Hall-Effekt, der nach theo­re­tischen Modellen für Stanen vor­her­ge­sagt ist. Das Stanen erzeugten sie per Mole­kular­strahl­epi­taxie auf einem dünnen Substrat, das aus Sili­zium, Bismut­tellurid und Blei­tellurid auf­ge­baut war. Die Dicke der ver­schie­denen Dünn­film-Schichten über­prüften die Wissen­schaftler mit Hilfe der Raster­tunnel­mikro­skopie.

Bei tiefen Temperaturen um ein Kelvin konnten die Forscher an ihrem Material einen über­raschenden Ein­bruch der Leit­fähig­keit messen – ein wichtiger, aber noch nicht ent­schei­dender Hin­weis auf die Supra­leit­fähig­keit. Um diese Eigen­schaft sicher fest­zu­stellen, wollten sie sehen, ob ihre Probe den Meißner-Ochsen­feld-Effekt auf­zeigt und ein äußeres Magnet­feld ver­drängt. Hierzu brachten sie ihre Probe zwischen zwei Pol­schuhe und kühlten sie in einem Helium-3-System herunter. Sollte echte Supra­leitung vor­liegen, würde das Material die Feld­linien zwischen beiden Pol­schuhen von­ein­ander abschneiden. Bei 0,7 Kelvin zeigte sich tat­säch­lich der erwar­tete Effekt.

Die Bandstruktur des Materials überprüften die Wissen­schaftler mittels winkel­auf­ge­löster Photo­emissions­spektro­skopie, sowie mit Tief­tempe­ratur-Magneto-Trans­port-Techniken. Diese Versuche ließen sich an Stanen besonders gut durch­führen, denn Stanen ist sehr robust und benötigt keine Schutz­schicht, die zu Dotie­rungs­effekten, kristal­linen Stör­stellen oder uner­wünschtem Magne­tismus führen könnte. Wie diese Messungen ergaben, besitzt ein­lagiges Stanen keine Bänder, die über die Fermi-Kante hinaus­ragen. „Bei mehr­lagigem Stanen sehen wir jedoch zusätz­liche Bänder, die die Fermi-Kante kreuzen, was zu Leit­fähig­keit und darüber hinaus bei tiefen Tempe­ra­turen zu Supra­leit­fähig­keit führt“, sagt Team-Mitglied Ding Zhang.

Diese überraschende Entdeckung könnte sich in Zukunft vor allem für die Suche nach neuen topo­lo­gischen Materi­alien als hilf­reich erweisen. Theo­re­tische Über­legungen legen nahe, dass Stanen bei Raum­tempe­ratur den Quanten-Spin-Hall-Effekt zeigt. Allein dieser Nach­weis wäre wichtig. Wenn es zudem gelänge, die jetzt nach­ge­wiesene Supra­leitung mit topo­lo­gischen Eigen­schaften zu ver­binden, ließe sich even­tuell ein Material mit topo­lo­gischer Supra­leitung kreieren. Dank seiner Robust­heit und Belast­bar­keit könnte Stanen hier für weitere Über­raschungen sorgen.

Andere, vergleichbare Dünnschicht-Materialien wie etwa ein­lagiges Blei oder Indium oder zwei­lagiges Gallium sind so zer­brech­lich und empfind­lich gegen­über äußeren Ein­wirkungen, dass sie mit einer Schutz­schicht aus Gold oder Silber über­zogen werden müssen, bevor man sie aus ihrer Hoch­vakuum-Wachs­tums­zelle heraus an den rauen Labor­alltag befördert. Seine Beständig­keit gegen­über Umwelt­ein­flüssen macht Stanen hin­gegen für Anwen­dungen besonders inte­res­sant. Wie die Wissen­schaftler berichten, blieb ihre Stanen-Probe auch nach über einem Jahr Lagerung noch supra­leitend.

Nach ersten Versuchen benötigt Stanen dank seiner zwei­dimen­sio­nalen Struktur und einer starken Spin-Bahn-Kopplung ein relativ starkes Magnet­feld, um die Supra­leitung zu unter­binden. Die Forscher wollen als nächstes des­halb das Magnet­feld bei ihrem Ver­such möglichst exakt ent­lang der Stanen-Ebene aus­richten, um seine magne­tischen Eigen­schaften besser zu unter­suchen.

Dirk Eidemüller

RK

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