In zweischichtigem Graphen, das um einen "magischen" Winkel gedreht wurde, wurde eine seltene lineare Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt gefunden. Diese Eigenschaft macht Doppelschicht-Graphen zu einer ungewöhnlichen Klasse von Substanzen, die als seltsame Metalle bezeichnet werden. Dazu gehören zum Beispiel Cuprate, einschließlich der Rekordhalter für Supraleitungstemperatur bei Normaldruck, sowie Ruthenate, Pniktide und einige andere Materialien. Die Entdeckung bestätigt das Vorhandensein eines neuen grundlegenden Mechanismus der Ladungs- und Wärmeübertragung in solchen Verbindungen, schreiben die Autoren in der Zeitschrift Physical Review Letters.
Graphen ist eine zweidimensionale allotrope Modifikation von Kohlenstoff, die aus Atomen besteht, die in Form von Sechsecken angeordnet sind und in Schichten von atomarer Dicke vereint sind. Graphen hat viele ungewöhnliche Eigenschaften, die in Wissenschaft und Technologie potenziell nützlich sind. Wissenschaftler entdecken jedoch immer wieder neue ungewöhnliche Eigenschaften dieses Materials.
Eine der wichtigsten Entdeckungen der letzten zwei Jahre war die Entdeckung der Supraleitung in Doppelschicht-Graphen. Das Drehen der Blätter um einen kleinen Winkel erzeugt ein periodisches hexagonales Moiré-Übergitter mit einer viel längeren Periode als die von Graphen selbst. Wenn der Winkel einen der "magischen" Werte annimmt, von denen der kleinste nahe bei 1, 1 Grad liegt, geht die Substanz bei niedrigen Temperaturen in einen supraleitenden Zustand über. Detaillierte Studien haben gezeigt, dass solches Graphen in einigen seiner Eigenschaften, insbesondere dem Phasendiagramm, Cupraten ähnelt - Verbindungen, mit deren Entdeckung der Begriff Hochtemperatur-Supraleitung auftauchte.
Pablo Jarillo-Herrero vom MIT lineare Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt. Bei gewöhnlichen Metallen, bei denen in der Regel nach der supraleitenden Phase ein starker Widerstandsanstieg auftritt, wird eine solche Regelmäßigkeit nicht beobachtet. Darüber hinaus gibt es derzeit keine vollständige theoretische Erklärung für dieses Phänomen.
Der Elektronentransport in Metallen wurde lange Zeit erfolgreich durch die 1900 formulierte Drude-Theorie beschrieben, die die Leitfähigkeit mit der Dichte der als Gas betrachteten Elektronen, ihrer Masse und der durchschnittlichen Zeit τ zwischen der Streuung durch Ionen in Beziehung setzt. Mit Quantenkorrekturen, die die Masse realer Teilchen durch die effektive Masse der Ladungsträger ersetzten und die Zeit zwischen Streuung bei tiefen Temperaturen mit einer Proportionalität τ ∼ T-2 verknüpften, konnte dieses Modell die meisten experimentellen Daten bis in die 1980er Jahre erfolgreich beschreiben.
Die Entdeckung der Cuprate im Jahr 1986 zeigte die Grenzen der Theorie auf, die die Phase eines seltsamen Metalls, das in ihnen beobachtet wurde, mit einer linearen Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur nicht erklären konnte. Dieses Verhalten legt nahe, dass die Zeit zwischen den Streuungen umgekehrt proportional zur ersten Potenz der Temperatur ist und nicht wie im Drude-Modell zum Quadrat. Die Entdeckung einer seltsamen Metallphase in Bilayer-Graphen weist außerdem auf die Notwendigkeit hin, einen neuen theoretischen Ansatz für Transportphänomene zu entwickeln, und spricht von der Möglichkeit einer solchen Phase in vielen verschiedenen Systemen.
Berechnet man die Zeit zwischen Streuung an fremden Metallen mit der Drude-Formel (die theoretisch schlecht begründet ist), erhält man den Ausdruck τ = Cℏ ∕ kT, wobei ℏ die Plancksche Konstante, T die Temperatur, k die Boltzmannsche Konstante ist Konstante und C ist ein numerischer Koeffizientenproportionalität. Es wird angenommen, dass die Streuungsrate mit der Stärke der Elektron-Elektron-Wechselwirkungen (die im ursprünglichen Drude-Modell völlig ignoriert werden) in Beziehung stehen sollte, und sie sind bei verschiedenen seltsamen Metallen sehr unterschiedlich.
Beobachtungen zeigen jedoch, dass der Koeffizient C für eine Vielzahl von seltsamen Metallen und, wie sich herausstellt, auch für zweischichtiges Graphen nahe Eins liegt: In der neuen Arbeit lagen die gemessenen C-Werte im Bereich von 1, 1 bis 1, 6. Diese Universalität führt Theoretiker dazu, über das Vorhandensein eines neuen fundamentalen Mechanismus von Transportphänomenen in fremden Metallen nachzudenken. Wissenschaftler verbinden diese Situation mit der Planckschen Dissipation, also dem Zustand der Quantenverschränkung vieler Elektronen, in dem die nach den Gesetzen der Physik erlaubte maximale Energiedissipation erreicht wird.
Zweischichtiges Graphen könnte sich als geeignetes System für weiterführende Experimente auf diesem Gebiet erweisen. Sein Hauptvorteil liegt in der Möglichkeit, den Füllfaktor des Übergitters, also die Dichte der Ladungsträger, durch Anlegen einer elektrischen Spannung zu steuern, während andere Fremdmetalle mit anderen Verunreinigungen neu hergestellt werden müssen.
Frühere Physiker erklärten die "magische" Supraleitung von zweischichtigem Graphen durch Phononen, sahen darin Exzitonen und machten daraus einen anomalen Magneten.
