Supraleitende Materialien besitzen eine ganz besondere Eigenschaft: Durch sie kann Strom ohne elektrischen Widerstand fließen. Damit eröffnen sie eine Vielzahl neuer Möglichkeiten auf unterschiedlichen Gebieten wie etwa Energie, Elektronik oder auch Transport. So könnten sie zum Beispiel dazu beitragen, Stromnetze effizienter zu machen oder neue Magnetschwebebahnen zu entwickeln, die nahezu reibungsfrei funktionieren. Die verschiedenen Prozesse, durch die Supraleitung bei Feststoffen auftreten kann, sind allerdings erst in Teilen erforscht.
Magischer Winkel und widerstandslose Elektronen
Dies gilt auch für Graphen. In diesem zweidimensionalen Kohlenstoffmaterial bilden die Atome ein nur eine Atomlage dünnes Gitter. Unter normalen Umständen ist Graphen ein elektrischer Leiter. Doch wenn man zwei aufeinanderliegende Graphenlagen um 1,1 Grad gegeneinander verdreht, wird Graphen zum Supraleiter – das Material leitet nun Strom verlustfrei und ohne Widerstand. Ähnliches funktioniert auch mit dreilagigem Graphen. Bekannt war bereits, dass eine Paarbildung von Elektronen im Material, sogenannte Cooper-Paare, auch beim supraleitenden Graphen eine entscheidende Rolle spielen. Wie diese Elektronenpaare im Graphen entstehen und wie sie sich durch das Kohlenstoffmaterial bewegen, haben nun zwei Forschungsteams aufgedeckt.
Ein Team um Miuko Tanaka vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) untersuchte dies bei doppellagigem Graphen, ein zweites um Abhishek Banerjee von der Harvard University an dreilagigem Graphen. Konkret gelang es den Physikern, zum ersten Mal die Supraflüssigkeitssteifigkeit in diesen Graphenvarianten direkt zu messen. Die Supraflüssigkeitssteifigkeit gibt an, wie leicht es ist, die für die Supraleitung typischen Elektronenpaare in Bewegung zu versetzen. “Obwohl Cooper-Paare keinen Widerstand zeigen, muss man einen Impuls in Form eines elektrischen Felds geben, um den Strom in Bewegung zu versetzen”, erklärt Tanakas Kollege Joel Wang. Die Supraflüssigkeitssteifigkeit verrät, wie stark dieser sein muss und ist somit ein wichtiges Maß für die Supraleitfähigkeit eines Materials.
Aluminium bringt die Lösung
Bislang wird die Supraflüssigkeitssteifigkeit mit Methoden gemessen, bei denen das Material in einen Mikrowellenresonator gelegt wird. Dieser besitzt eine charakteristische Resonanzfrequenz im Mikrowellenbereich und reagiert dabei schon auf feinste Veränderungen der Leitfähigkeit im untersuchten Material. Bisher waren Messungen mit solchen Resonatoren aber nur mit großen, dicken Materialproben möglich. Typische Supraleiter, die mit dieser Methode gemessen werden, sind zehn bis hundert Mal dicker und flächenmäßig größer als das nur zwei oder drei Atomlagen dünne Graphen mit magischem Winkel.
