Forschung

Gemeinsamkeiten bei der Supraleitung

06.08.2019 - Elektronische Struktur weist auf Ähnlichkeit der isolierenden Zustände in Twisted Bilayer-Graphen und Kupraten hin.

Die Entdeckung eines bei Raumtemperatur supraleitenden Materials würde zu einer technologischen Revolution führen – zum Beispiel, indem sie helfen würde, die Energiekrise zu vermindern und indem bislang ungeahnte Rechnerleistungen ermöglicht würden. Dennoch fehlt trotz aller Forschungsfortschritte noch immer eine komplette theoretische Erklärung dieses Phänomens. Daher beruht die Suche nach Supraleitung bei Raumtemperatur vorwiegend auf einem empirischen Verfahren: Der experimentellen Nutzung verschiedenster Materialkonfigurationen. 
 

2018 gelang ein Durchbruch, als Wissenschaftler demonstrierten, dass die Materiephasen von Twisted Bilayer-Graphen (TBLG) denen von Hoch-Tc-Kupraten, einer spezifischen Klasse supraleitender Materialien, ähneln. TBLG könnte demnach eine einfachere und besser kontrollierbare Plattform bieten, um das Verhalten von Hoch-Tc-Kupraten zu studieren.

In einer neuen Studie untersuchte ein Forschungsteam vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg, der Freien Universität Berlin, der Columbia University, dem Center for Computational Quantum Physics am Flatiron Institute (beide USA) und dem National Institute for Materials Science in Japan den isolierenden Zustand von TBLG.

Dieses Material besteht aus zwei atomar dünnen Graphenschichten, die sehr leicht verwinkelt übereinander liegen. In einer solchen Struktur entsteht der isolierende Zustand vor der Hoch-Tc-Supraleitungs­phase. Um Supraleitung in TBLG zu steuern, benötigt man ein genaueres Verständnis dieser Phase und was ihr vorausgeht.

Die Proben wurden mit Scanning Tunnelling Microscopy / Spectroscopy (STM / STS) untersucht – einer Methode, die es erlaubt, leitende Oberflächen Atom für Atom zu erforschen. Die Wissenschaftler nutzten die „tear and stack“ („reißen und stapeln“)-Technik, um zwei atomdünne Graphenschichten aufeinander zu legen und sie leicht zu rotieren. Dann generierte das Team eine genaue Beschreibung der atomaren strukturellen und elektronischen Eigenschaften des Materials nahe des „magischen Winkels“ von ungefähr 1,1 Grad.

Die Ergebnisse bieten neue Anhaltspunkte zur Frage, welche Faktoren die Entstehung von Supraleitung in TBLG beeinflussen. Das Team beobachtete, dass der isolierende Zustand (als Vorgänger der Supraleitung) entsteht, wenn das System bis zu einem bestimmten Maß mit Elektronen befüllt wird. Dadurch können Forscher das Ausmaß und die Art der Wechselwirkungen zwischen den Elektronen in diesen Systemen einschätzen – ein maßgeblicher Schritt auf dem Weg zu ihrer Beschreibung.

Die Forschungsergebnisse zeigen insbesondere, dass nahe des „magischen Winkels“ zwei getrennte Van-Hove-Singularitäten (vHs) in der lokalen Zustandsdichte mit einem dotierungsabhängigen Abstand von 40 bis 57 Millielektronenvolt entstehen.

Dies zeigt erstmals und eindeutig, dass der vHs-Abstand bedeutend größer ist, als bislang angenommen wurde. Zudem zeigt das Team, dass die vHs sich in zwei aufspalten, wenn das System bis fast zur halben Moiréband-Füllung dotiert wird. Die Erklärung für diese dotierungsabhängige Aufspaltung liegt in der Wechselwirkung, die eine Anregungslücke im Spektrum hervorruft. Dies ist ein Hinweis, dass Elektron-Elektron-Wechsel­wirkungen eine prominente Rolle spielen.

Das Team entdeckte, dass das Verhältnis aus Coulomb-Wechselwirkung und Bandbreite jeder einzelnen vHs eine wichtigere Rolle für den „magischen Winkel“ spielt, als die vHs-Aufspaltung. Dies legt nahe, dass der angrenzende supraleitende Zustand von einem Cooper-ähnlichen Paarungs­mechanismus gesteuert wird, der wiederum auf den Wechselwirkungen der Elektronen basiert. Außerdem zeigen die STS-Ergebnisse eine Tendenz zu spontaner elektronischer Brechung der Rotations­symmetrie des zugrundeliegenden Gitters, welche in sehr ähnlicher Form in Kupraten nahe dem supraleitenden Zustand auftritt. 

Mit dieser Studie ist es dem Team gelungen, die physikalische Äquivalenz zwischen Hoch-Tc-Kupraten und TBLG zu erklären. Die durch TBLG gewonnenen Einblicke werden das Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung in Kupraten vertiefen und zu einer genaueren Analyse des detaillierten Verhaltens dieser faszinierenden Systeme führen.

Diese aus Transport­experimenten gewonnenen Ergebnisse zu den Eigenschaften der supraleitenden und isolierenden Zustände werden es Forschern ermöglichen, theoretische Maßstäbe zu setzen und TBLG als ein Werkzeug für eine vollständigere Beschreibung von Hoch-Tc-Kupraten zu nutzen. 

MPSD / DE

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