MIT bestätigt unkonventionelle Supraleitung in MATTG

Supraleitung tritt auf, wenn Elektronen Paare bilden, anstatt wie in normalen Leitern oder alltäglichen Materialien auseinander zu streuen. Diese gepaarten Elektronen werden „Cooper-Paare“ genannt, was einen perfekten, widerstandslosen Stromfluss erzeugt.

Diese bemerkenswerte Eigenschaft wird beobachtet in Supraleitern, wenn sie unter eine bestimmte „kritische Temperatur“ gekühlt werden. Neben der Möglichkeit, dass ein Strom unbegrenzt ohne Energieverlust fließt, stoßen diese Materialien auch Magnetfelder ab, was ihnen das Schweben ermöglicht.

Während konventionelle Supraleiter, wie solche aus Aluminium, sehr niedrige Temperaturen benötigen, entwickeln Forscher aktiv Materialien, die bei höheren, praktischeren Temperaturen supraleiten können – ein Schritt, der die Energie- und Quantentechnologien revolutionieren könnte.

Forscher am MIT haben nun diesen Durchbruch erzielt. Sie haben eine charakteristische V‑förmige Energielücke beobachtet, die auf unkonventionelle Supraleitung in Magic‑Angle‑Graphen hinweist und einen wichtigen Fortschritt in Richtung raumtemperatur‑Supraleiter markiert.

Magic‑Angle‑Graphen & „Twistronik“: Wie die Drehung von Schichten die Physik verändert

Seit der Entdeckung von „Magic‑Angle‑Graphen“ sorgt es in der Wissenschaft für großes Aufsehen, wobei Forscher zahlreiche exotische Quantenphänomene aufdecken, von korrelierten Isolationszuständen und unkonventioneller Supraleitung bis hin zu einstellbarem Magnetismus und topologischen Phasen.

Im Jahr 2018 stellte ein Team von Physikern am MIT unter der Leitung von Pablo Jarillo‑Herrero erstmals die Effekte von Magic‑Angle‑Graphen her und beobachtete sie.

Sie entdeckten ungewöhnliche elektronische Eigenschaften, wie Supraleitung, wenn zwei Graphenschichten in einem sehr spezifischen Winkel übereinander gestapelt werden. Diese verdrehte Struktur ist als Magic‑Angle‑Twisted‑Bilayer‑Graphene oder MATBG bekannt.

Graphen ist eine einzelne Kohlenstoffschicht, die nur ein Atom dick ist und ein Waben‑Gitter aufweist. Die Anordnung der Kohlenstoffatome in einem hexagonalen Muster ähnelt einem Hühnerdraht und zeigt bemerkenswerte Festigkeit, Haltbarkeit sowie die Fähigkeit, Wärme und Strom zu leiten.

Bilayer‑Graphen ist hingegen ein Stapel aus zwei Schichten, bei dem die beiden Gitter in einer bestimmten Weise ausgerichtet sind. 

In reinem Bilayer‑Graphen beobachteten Jarillo‑Herrero und sein Team ein Mott‑Isolator‑Verhalten (ein Phänomen, bei dem ein Material aufgrund starker Elektron‑Elektron‑Abstoßung zum Isolator wird, obwohl es als Leiter erwartet wird), wenn die beiden Schichten in einem Magic‑Angle verdreht wurden.

Dies führte zur Entwicklung von „Twistronik“, einer vielversprechenden neuen Technik, um die elektronischen Eigenschaften von Graphen durch Drehen benachbarter Schichten des Materials anzupassen.

Die Methode wurde anschließend von einem Forscherteam des MIT, der Harvard University und des NIMS in Japan verwendet, um das verdrehte Bilayer durch Anlegen eines elektrischen Feldes supraleitend zu machen.

Im Laufe der Zeit untersuchten viele Forscher verschiedene mehrlagige Graphenstrukturen, die Anzeichen von unkonventioneller Supraleitung zeigten.

Im Jahr 2021 stapelten Harvard‑Physiker erfolgreich drei Graphenschichten und verdrehten sie im Magic‑Angle, um ein dreischichtiges System zu erzeugen, das bei höheren Temperaturen als viele doppelt gestapelte Graphensysteme robuste Supraleitung aufweist¹. Da es empfindlich auf ein extern angelegtes elektrisches Feld reagiert, ermöglichte es dem Team zudem, die Supraleitung durch Anpassung der Feldstärke zu steuern.

Dieses Experiment half Wissenschaftlern zu verstehen, dass die Supraleitung der Trilayer‑Struktur auf starken Elektron‑Elektron‑Wechselwirkungen beruht, die sie gegenüber höheren Temperaturen widerstandsfähiger machen.

Im selben Jahr berichteten Princeton‑Forscher über eine erstaunliche Ähnlichkeit² zwischen der Supraleitung von Magic‑Graphen und der von Hochtemperatur‑Supraleitern.

Mit einem Rastertunnelmikroskop (STM) stellten sie fest, dass gepaarte Elektronen einen endlichen Drehimpuls besitzen. Der andere untersuchte, wie sich das Verhalten eines supraleitenden Materials ändert, wenn der supraleitende Zustand durch Erhöhung der Temperatur oder Anlegen eines Magnetfeldes unterdrückt wird. Während sich Elektronen in konventionellen Supraleitern entkoppeln, bleibt in unkonventionellen eine gewisse Korrelation erhalten.

MIT ebnet den Weg zu Supraleitern bei Raumtemperatur

Die Fähigkeit von Supraleitern, Strom ohne Widerstand zu leiten, macht sie zu Schlüsseltechnologien wie MRT‑Scanner, Energieübertragung und -speicherung, fortschrittliches Computing und Teilchenbeschleuniger.

Konventionelle Supraleiter funktionieren jedoch nur bei sehr niedrigen Temperaturen. Daher müssen sie in speziellen Kühlsystemen gehalten werden, um ihren supraleitenden Zustand aufrechtzuerhalten.

Wenn diese Materialien bei höheren, leichter zugänglichen Temperaturen supraleiten könnten, könnten sie technologische Systeme weltweit neu definieren. Mit diesem Ziel untersuchen Wissenschaftler am MIT unkonventionelle Supraleiter, die vom traditionellen Verhalten abweichen.

Kürzlich beobachteten Physiker des MIT dieses Phänomen in „Magic‑Angle“-verdrehtem Trilayer‑Graphen (MATTG) und lieferten damit einen direkten Nachweis, dass MATTG unkonventionelle Supraleitung beherbergen kann³.

Wie Jeong Min Park, der Co‑Lead‑Autor der Studie, bemerkte, sind in konventionellen Supraleitern die Elektronen in „Cooper‑Paaren“ sehr weit voneinander entfernt und schwach gebunden, im Gegensatz zu Magic‑Angle‑Graphen, wo „wir bereits Anzeichen dafür sehen konnten, dass diese Paare sehr fest gebunden sind, fast wie ein Molekül. Es gab Hinweise darauf, dass an diesem Material etwas ganz Besonderes ist.“

Während frühere Studien Hinweise lieferten, war es nicht exakt bestätigt. Wie die Studie feststellte, ist das Verständnis der Natur der Supraleitung in Magic‑Angle‑Graphen herausfordernd, wobei die Hauptschwierigkeit darin besteht, die supraleitende Lücke zu erkennen.

Das MIT‑Team hat jedoch erfolgreich die supraleitende Lücke von MATTG gemessen und damit die Stärke seines supraleitenden Zustands bei verschiedenen Temperaturen aufgezeigt. Sie fanden eine Lücke in MATTG, die sich völlig von der in konventionellen Supraleitern unterscheidet, was darauf hindeutet, dass das Entstehen der Supraleitung in MATTG von einem ungewöhnlichen Mechanismus abhängt.

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Wie die Co‑Lead‑Autorin der Studie, Shuwen Sun, eine Doktorandin der Physikabteilung des MIT, bemerkte, gibt es nicht nur einen, sondern viele verschiedene Mechanismen, die in Materialien zur Supraleitung führen können, und die supraleitende Lücke liefert einen Hinweis darauf, welcher spezifische Mechanismus zu Supraleitern bei Raumtemperatur führen könnte, um Energie und Technologie zu revolutionieren.

„Wenn ein Material supraleitend wird, bewegen sich die Elektronen als Paare statt einzeln, und es gibt eine Energielücke, die widerspiegelt, wie sie gebunden sind. Die Form und Symmetrie dieser Lücke verrät uns die zugrunde liegende Natur der Supraleitung.“

– Park

Um ihre Entdeckung eines unkonventionellen Mechanismus zu beweisen, nutzte das Team ein neuartiges experimentelles System, das ihnen ermöglicht, direkt zu beobachten, wie die supraleitende Lücke in zweidimensionalen (2D) Materialien entsteht.

Dafür nutzten die Forscher die Tunnel‑Spektroskopie. In dieser quanten‑skalierten Technik verhalten sich Elektronen sowohl als Wellen als auch als Teilchen, wodurch sie durch Barrieren „tunneln“ können, die sie normalerweise aufhalten würden. Durch das Studium, wie leicht Elektronen durch ein Material tunneln können, erfahren die Forscher, wie stark sie darin gebunden sind.

In diesem Fall tunnelte das Team Elektronen zwischen zwei Schichten von MATTG, um dessen supraleitenden Zustand zu messen.

Diese Methode allein beweist jedoch nicht immer die Supraleitung eines Materials, sodass direkte Messungen entscheidend, aber herausfordernd sind. Daher kombinierte das Team die Tunnel‑Spektroskopie mit elektrischen Transportmessungen, die verfolgen, wie Strom durch ein Material fließt, während sie dessen Widerstand überwachen.

Das Team wandte diesen Ansatz auf MATTG an und identifizierte eindeutig die supraleitende Tunnel‑Lücke, die nur erschien, wenn das Material null Widerstand erreichte.

Bei Änderung von Temperatur und Magnetfeld zeigte diese Lücke eine scharfe V‑förmige Kurve statt des üblichen glatten, flachen Musters, das in konventionellen Supraleitern zu sehen ist. Laut Studie verschwindet die einzigartige niederenergetische supraleitende Lücke bei der kritischen Temperatur und dem kritischen Magnetfeld.

Die charakteristische Form weist auf einen neuen Mechanismus hin, der der Supraleitung von MATTG zugrunde liegt, und obwohl er unbekannt ist, wird deutlich, dass das Material tatsächlich anders reagiert als jeder konventionelle Supraleiter.

In den meisten Supraleitern paaren sich Elektronen aufgrund von Schwingungen im umgebenden Atomgitter, die sie zusammenziehen. Bei MATTG, sagt Park, könnte die Paarung jedoch auf starken elektronischen Wechselwirkungen beruhen, was bedeutet, dass „die Elektronen selbst einander beim Bilden von Paaren unterstützen und einen supraleitenden Zustand mit spezieller Symmetrie bilden.“

Die Technik, die dem Team ermöglichte, die supraleitende Lücke direkt zu beobachten – die Kombination aus Tunnel‑Spektroskopie und Transportmessungen – wird nun verwendet, um verschiedene verdrehte und geschichtete Materialien zu untersuchen.

Mit dem Aufbau, der dem Team ermöglicht, „die zugrunde liegenden elektronischen Strukturen von Supraleitung und anderen Quantenphasen in Echtzeit im selben Sample zu identifizieren und zu untersuchen“, bemerkte Park, dass „diese direkte Sichtweise zeigen kann, wie Elektronen paaren und mit anderen Zuständen konkurrieren, was den Weg ebnet, neue Supraleiter und Quantenmaterialien zu entwerfen und zu steuern, die eines Tages effizientere Technologien oder Quantencomputer antreiben könnten.“

Sie werden den experimentellen Aufbau auch nutzen, um MATTG sowie andere 2D‑Materialien genauer zu untersuchen, um neue, vielversprechende Kandidaten für fortschrittliche Technologien zu finden.

„Ein unkonventionelles Supraleitermaterial sehr gut zu verstehen, könnte unser Verständnis der übrigen vorantreiben“, sagte der leitende Autor der Studie, Jarillo‑Herrero, Cecil‑ und Ida‑Green‑Professor für Physik am MIT. „Dieses Verständnis könnte die Gestaltung von Supraleitern leiten, die bei Raumtemperatur funktionieren, was sozusagen der Heilige Gral des gesamten Feldes ist.“

Die Rolle der Quantengeometrie bei der Erzeugung von Elektronensuperfluidität

Während die neueste Entdeckung des MIT im Magic‑Angle‑Trilayer‑Graphen einen bedeutenden Sprung im Verständnis unkonventioneller Supraleitung darstellt, tragen ergänzende Studien ebenfalls dazu bei, wichtige Details zu füllen, etwa wie leicht Elektronenpaare durch diese Materialien fließen.

Es ist bekannt, dass Elektronen in supraleitenden Materialien ohne Reibung bewegen, doch wie leicht Elektronenpaare fließen können, hängt von Faktoren wie ihrer Dichte ab. Der Begriff „Superfluid‑Steifigkeit“ beschreibt, wie widerstandsfähig ein supraleitendes System gegenüber Änderungen des Flusses seiner Elektronenpaare ist, und ist damit ein wichtiger Indikator für Supraleitung.

Früher in diesem Jahr haben Physiker des MIT und der Harvard University direkt die Superfluid‑Steifigkeit in Magic‑Angle‑Graphen gemessen⁴, um besser zu verstehen, wie das Material supraleitet.

Mit dieser Studie war das Ziel, den Mechanismus zu identifizieren, der für die Supraleitung in Magic‑Angle‑Graphen verantwortlich ist, welcher hauptsächlich durch die Quantengeometrie bestimmt wird, also die konzeptuelle „Form“ der Quanten‑Zustände in einem Material.

Um nun die Superfluid‑Steifigkeit direkt zu messen, entwickelte das Team eine neue experimentelle Technik, die auch verwendet werden kann, um ähnliche Messungen anderer 2D‑Supraleitermaterialien durchzuführen, von denen „eine ganze Familie … darauf wartet, untersucht zu werden.“

In Materialien wie MATBG kann die Paarung von Elektronen, also Cooper‑Paare, ein Superfluid bilden, was bedeutet, dass sie sich durch ein Material als müheloser Strom bewegen können. Obwohl sie keinen Widerstand haben, muss dennoch ein Anstoß in Form eines elektrischen Feldes gegeben werden, um den Strom in Bewegung zu setzen.

„Superfluid‑Steifigkeit bezieht sich darauf, wie leicht es ist, diese Teilchen in Bewegung zu setzen, um Supraleitung zu erzeugen.“

– Studien‑Co‑Lead‑Autor Joel Wang, Forschungswissenschaftler im Research Laboratory of Electronics (RLE))

Diese Superfluid‑Steifigkeit wird üblicherweise mit Methoden gemessen, die das supraleitende Material in einen Mikrowellenresonator einsetzen, ein Gerät, das bei Mikrowellenfrequenzen resoniert. In einem Mikrowellenresonator verändert das Material sowohl die Resonanzfrequenz als auch die kinetische Induktivität proportional zu seiner Superfluid‑Steifigkeit.

Diese Techniken waren jedoch nur mit Proben kompatibel, die 10‑ bis 100‑mal größer und dicker als MATBG sind, was bedeutet, dass ein neuer Ansatz erforderlich ist, um die Superfluid‑Steifigkeit in atomar dünnen Supraleitern zu messen.

Jetzt besteht die Herausforderung darin, ein so empfindliches Material wie MATBG an die Oberfläche des Mikrowellenresonators anzubringen, ohne seine Glätte zu stören. Das bedeutet, einen „idealerweise verlustfreien – d. h. supraleitenden – Kontakt zwischen den beiden Materialien“ herzustellen, sonst wird das gesendete Mikrowellensignal degradiert oder einfach zurückgeworfen.

Daher stellte das Team zunächst MATBG mit Standard‑Fabrikationstechniken zusammen und schloss es dann zwischen zwei isolierenden Schichten von hexagonalem Bornitrid ein, um seine empfindliche atomare Struktur und intrinsischen Eigenschaften zu bewahren.

Der Resonator bestand größtenteils aus Aluminium, mit einer kleinen Menge MATBG am Ende. Um MATBG zu kontaktieren, ätzte das Team es sehr scharf, wodurch eine Seite des neu geschnittenen MATBG freigelegt wurde, auf die Aluminium aufgebracht wurde, um „einen guten Kontakt herzustellen und eine Aluminium‑Leitung zu bilden“, die mit dem größeren Aluminium‑Mikrowellenresonator verbunden wurde.

Das Team sendete ein Mikrowellensignal durch diesen Resonator, maß die daraus resultierende Verschiebung seiner Resonanzfrequenz und ermittelte die kinetische Induktivität von MATBG. Nach Umrechnung der gemessenen Induktivität in einen Wert für die Superfluid‑Steifigkeit stellte das Team fest, dass diese deutlich größer war als von konventionellen Supraleitungstheorien vorhergesagt.

„Wir beobachteten eine zehnfache Erhöhung der Superfluid‑Steifigkeit im Vergleich zu konventionellen Erwartungen, mit einer Temperaturabhängigkeit, die mit den Vorhersagen der Quantengeometrie‑Theorie übereinstimmt,“ sagte Co‑Lead‑Autorin Miuko Tanaka. „Das war ein „smoking gun“, das auf die Rolle der Quantengeometrie bei der Bestimmung der Superfluid‑Steifigkeit in diesem zweidimensionalen Material hinwies.“

Investitionen in Supraleitungstechnologie

American Superconductor Corporation (AMSC ) ist ein Energie‑Technologieunternehmen, das fortschrittliche Supraleitersysteme herstellt. Es konzentriert sich darauf, bestehende Supraleitungstechnologien zu kommerzialisieren und in realen Stromnetz‑ und Marine‑Anwendungen einzusetzen.

AMSC ist ein führender Anbieter von Megawatt‑Skala‑Lösungen für Energie‑Resilienz, einschließlich Gridtec, Marinetec und Windtec.

Durch diese Lösungen bietet das Unternehmen fortschrittliche Netzsyst​eme zur Optimierung von Netzwerkleistung, Effizienz und Zuverlässigkeit, Antriebs‑ und Energiemanagement‑Lösungen zur Verbesserung der Stromqualität und Betriebssicherheit sowie elektronische Steuerungen und Systeme für Windturbinen.