Graphenschichten: Unkonventioneller Supraleiter bei Raumtemperatur möglich
Einen bisher nicht beobachteten Effekt zur Erzeugung supraleitender Eigenschaften wurde von einem Forschungsteam des MIT(öffnet im neuen Fenster) an in speziellen Winkeln zueinander verdrehten dreischichtigen Graphenlagen beobachtet. Das als enge Paarbindung von Elektronen beschriebene Phänomen könnte zur Entwicklung von Supraleitern beitragen, die bei normaler Umgebungstemperatur funktionieren.
Genau das wäre ein kaum für möglich gehaltener Durchbruch, der Auswirkungen auf zahlreiche Bereiche hätte. Üblicherweise müssen Supraleiter, die derzeit vor allem in großen Magnetresonanztomografen, aber auch in Teilchenbeschleunigern und Experimenten zur Kernfusion zum Einsatz kommen, beinahe auf den absoluten Nullpunkt bei -273 °C abgekühlt werden.
Selbst sogenannte Hochtemperatur-Supraleitungsspulen benötigen Temperaturen im Bereich von -200 °C. Erst dann verschwindet der elektrische Widerstand vollständig, so dass die starken Ströme zur Erzeugung von Magnetfeldern im Bereich von mehreren Tesla überhaupt erzeugt werden können.
Neues Material, neuer Effekt
Bei supraleitenden Materialien lässt sich beobachten, dass Elektronen sich nicht gegenseitig abstoßen und dementsprechend chaotisch durch den Leiter bewegt werden. Stattdessen bilden sie Cooper-Paare(öffnet im neuen Fenster) , benannt nach ihrem Entdecker Leon Neil Cooper. Der Abstand zwischen den Elektronen ist vergleichsweise groß und die Paarbildung steht im Zusammenhang mit Atomgitter des Supraleiters.
Davon unterscheidet sich der nun entdeckte Effekt deutlich. Die Elektronen gehen eine enge Bindung ein, laut der Forschungsgruppe vergleichbar mit einer Molekülbindung, die mit dem Drehwinkel zwischen den Graphenschichten im Zusammenhang steht. Für die Fortbewegung im Material wird der Tunneleffekt genutzt. Damit bewegen sich auch die Elektronenpaare wie eine Welle und tunneln durch den Supraleiter.
Weitere Elemente und Anordnungen müssen geprüft werden
Nachgewiesen werden konnten die supraleitenden Eigenschaften in einer eigens entwickelten Experimentieranordnung, in der gleichzeitig der Tunneleffekt und der Elektronentransport beobachtet werden konnten. Durch die Widerstandsmessung ließ sich erkennen, wann supraleitende Eigenschaften vorlagen.
So konnte gezeigt werden, dass die Anordnung der Graphenschichten bei ganz bestimmten Winkeln die Paarbildung ermöglichte. Dann verhielt sich das Graphen wie ein Supraleiter, aber auf andere Weise als bisher bekannte Supraleiter.
Im nächsten Schritt sollen weitere Anordnung, anderen Kombinationen von Schichten und auch Schichten aus anderen Elementen auf den gleichen Effekt hin untersucht werden. Die Hoffnung ist, zu verstehen, was die supraleitenden Eigenschaften verursacht und dies auf zukünftige Leiter zu übertragen.
Die zugehörige Studie wurde in Science(öffnet im neuen Fenster) veröffentlicht. Sie ist über die Seiten des MIT(öffnet im neuen Fenster) zudem öffentlich zugänglich.