Einer neuen Studie zufolge kann Graphen mehrere Zustände der Supraleitfähigkeit aufweisen

Eine bahnbrechende Entdeckung aus einer am Massachusetts Institute of Technology (MIT) durchgeführten Forschung hat ergeben, dass Graphen - eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen - mehrere verschiedene Zustände der Supraleitfähigkeit unterstützen kann. Die in der renommierten Fachzeitschrift *Nature* veröffentlichte Studie stellt das herkömmliche Verständnis der Supraleitfähigkeit in Frage, ein Phänomen, bei dem Elektrizität ohne Widerstand fließt.

Das MIT-Team fand jedoch heraus, dass bestimmte Konfigurationen von Graphen, insbesondere rhomboedrisches Fünfschichtgraphen, die Supraleitfähigkeit in Gegenwart von Magnetfeldern aufrechterhalten und sogar verbessern können.

Die Forschung konzentrierte sich auf rhomboedrisches Graphen, eine natürlich vorkommende Struktur im Graphit, die aus vier oder fünf Graphen-Schichten besteht, die in einer bestimmten Anordnung gestapelt sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Supraleitern, die normalerweise eine einzige Form der Supraleitfähigkeit aufweisen, beherbergt dieses Material mehrere supraleitende Zustände. Diese Zustände manifestieren sich als unterschiedliche Arten, in denen sich Elektronen paaren und sich ohne Widerstand durch das Material bewegen. Bemerkenswert ist, dass einige dieser Zustände stabil bleiben oder sich sogar verstärken, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind - eine Wirkung, die im Gegensatz zu dem, was typischerweise bei supraleitenden Materialien beobachtet wird, auftritt.

Long Ju, Physiker am MIT und einer der führenden Forscher, betonte die Bedeutung der Entdeckung. "Die Leute könnten annehmen, dass es sich um ein einfaches, langweiliges Kohlenstoffmaterial handelt", sagte er. "Aber wir können dieses Material kontrollieren, indem wir bestimmte experimentelle 'Knöpfe' wie elektrische Spannungen einstellen. So kann ein einfaches physisches Material so viele verschiedene supraleitende Eigenschaften aufweisen". Die Fähigkeit, supraleitende Zustände mithilfe externer Parameter zu manipulieren, eröffnet sowohl theoretische Erforschungen als auch praktische Anwendungen in der Elektronik und Energieübertragung.

Die Ergebnisse der Studie deuten darauf hin, dass rhomboedrisches Graphen als Plattform für die Erforschung unkonventioneller Supraleitfähigkeit dienen könnte. Während die genauen Mechanismen der Persistenz und Verstärkung der Supraleitfähigkeit in Magnetfeldern noch unklar sind, haben die Forscher substanzielle experimentelle Daten zur Verfügung gestellt, um zukünftige Untersuchungen zu leiten.

Die Forschung wurde von einem multidisziplinären Team durchgeführt, zu dem MIT-Wissenschaftler und Mitarbeiter von Institutionen wie der Universität Basel in der Schweiz, der Florida State University, der University of Florida und dem National Institute for Materials Science in Japan gehörten.

Rhomboedrisches Graphen ist Teil einer wachsenden Klasse zweidimensionaler Materialien, die außergewöhnliche elektronische und magnetische Verhaltensweisen aufweisen. Wenn Graphenschichten in bestimmten Winkeln gestapelt und verdreht werden, können sie ungewöhnliche Quantenphänomene hervorrufen. Im Gegensatz zu künstlichen "magischen Winkel"-Graphenstrukturen, die in Laboratorien erstellt wurden, erforschte das MIT-Team jedoch natürlich vorkommende rhomboedrische Konfigurationen. Diese Strukturen, die den Stufen einer Treppe ähneln, besitzen faszinierende elektronische Eigenschaften, die bisher unbemerkt geblieben waren.

Wenn die Mechanismen, die der Stabilität der Supraleitfähigkeit in Magnetfeldern zugrunde liegen, vollständig verstanden werden können, könnte dies den Weg ebnen für die Entwicklung von Materialien, die in der Lage sind, in Umgebungen mit hohem Magnetfeld effizient zu funktionieren, wie sie in Teilchenbeschleunigern oder medizinischen Bildgebungsgeräten zu finden sind.

Da die wissenschaftliche Gemeinschaft weiterhin die Eigenschaften des rhombohedralen Graphen erforscht, werden sich weitere Experimente wahrscheinlich auf die Aufklärung der grundlegenden Physik hinter seinem einzigartigen Verhalten konzentrieren. Die Forscher wollen die genauen Bedingungen aufdecken, unter denen mehrere supraleitende Zustände entstehen und wie sie mit Magnetfeldern interagieren.