Experimentelle Untersuchungen an Übergittern aus dreischichtigem Graphen zwischen Bornitrid-Schichten ermöglichten den Nachweis von Phasenübergängen vom metallischen Zustand zum Mott-Isolator und von diesem zum Supraleiter. Dies macht solche Strukturen zu idealen Kandidaten für das Studium der Physik hochkorrelierter Systeme wie Hochtemperatur-Supraleitern. Der Hauptvorteil solcher Substanzen sei die Möglichkeit, elektronische Parameter zu variieren, schreiben die Autoren in der Zeitschrift Science.
Hochtemperatur-Supraleitung (HTSL) ist eines der drängendsten Themen in der Physik der kondensierten Materie. Standard-Supraleiter, bei denen der Widerstand bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt verschwindet, werden durch die Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie gut beschrieben. Für Verbindungen, die bei Temperaturen über 100 Kelvin in einen solchen Zustand übergehen, existiert jedoch noch keine vollständige Theorie. Diese Situation ist nicht nur aus Sicht der Theoretiker unbefriedigend, sondern wird auch die Entwicklung immer höhertemperaturiger Supraleiter verhindern, und die Entdeckung von Rekordfällen hängt eher mit Zufallsfunden zusammen.
Einer der vorgeschlagenen Ansätze verbindet HTSCs mit dotierten Mott-Dielektrika durch das Hubbard-Modell. Mott-Isolatoren sollten nach der Standardtheorie der elektrischen Leitfähigkeit Leiter sein, aber aufgrund der starken Wechselwirkung zwischen Elektronen leiten sie tatsächlich keinen Strom. Das Hubbard-Modell ist eine Annäherung in der Physik der kondensierten Materie, die die Sprünge von Elektronen zwischen verschiedenen Positionen im Kristallgitter und ihre Wechselwirkung beim Auftreffen auf dieselbe Stelle beschreibt. Allerdings erweist sich die theoretische Lösung bei Mott-Dielektrika gerade wegen der starken Wechselwirkung der Elektronen als äußerst schwierig.
Ein Artikel eines Physikerteams aus China, den USA, Südkorea und Japan unter der Leitung von Feng Wang vom Lawrence Berkeley National Laboratory zeigt eine detaillierte Studie eines solchen Systems. Die Idee der Autoren besteht darin, ein Übergitter aus drei Graphenschichten zwischen zwei Bornitridschichten mit ähnlicher hexagonaler Struktur zu platzieren. Da der Abstand der Atome in den beiden Verbindungen unterschiedlich ist, fallen sie an manchen Stellen streng übereinander aus, in benachbarten sind sie leicht verschoben und nach etwa 10 Nanometern fallen sie wieder zusammen und bilden ein charakteristisches Moiré-Muster. Das Ergebnis ist eine Heterostruktur, in der die Stärke der Wechselwirkung von Elektronen kontrolliert werden kann. Zuvor hat das gleiche Team diese Möglichkeit theoretisch begründet und in einer neuen Arbeit die Idee in einem Experiment umgesetzt.
Die Autoren platzierten Metallkontakte an den Seiten der Struktur und brachten einen zum Graphen. Auf diese Weise wurde ein Transistor mit zwei Gates erhalten, der es ermöglichte, die Elektronenkonzentration in jeder Moiré-Zelle mit Hilfe eines vertikalen elektrischen Felds zu steuern. Physiker führten Experimente mit der resultierenden Struktur bei verschiedenen Temperaturen durch. Bei 5 Kelvin verwandelte es sich von einem Leiter mit metallischen Eigenschaften in einen Mott-Isolator, und beim Abkühlen unter 40 Millikelvin fiel der Widerstand stark ab. Dies geschah jedoch nur, wenn ein starkes vertikales elektrisches Feld mit einem Gradienten von einem halben Volt pro Nanometer angelegt wurde, das die Stärke der Elektronenwechselwirkung kontrollierte. Da es keine allgemeine Theorie der Wechselwirkungen solch komplexer Systeme gibt, mussten die Autoren viele Experimente durchführen, bevor sie unsere gewünschten Werte der Parameter angaben.
Schematische Darstellung des resultierenden Transistors mit zwei Gates
Moiré-Struktur von Graphen (grau) zwischen Bornitridschichten (rot und blau). Die grünen Kreise zeigen die Knoten des Moiré-Übergitters.
Eine ungewöhnliche Version der Supraleitung wurde vor relativ kurzer Zeit in zweischichtigem Graphen entdeckt, von dem eines der Blätter um einen "magischen Winkel" von 1, 1 Grad gedreht ist. In diesem Fall ist es jedoch unmöglich, die Parameter zu steuern. Die Autoren weisen darauf hin, dass ihr Ansatz mehrere Vorteile hat. Zum einen ermöglicht der dreischichtige Aufbau die Steuerung des Korrelationsgrades der Elektronen durch ein vertikales elektrisches Feld, zum anderen ist das Moiré-Muster des Übergitters gleichmäßiger als bei Graphen mit Blattrotation und drittens Das neue System ist viel weniger abhängig von den Winkeln zwischen den Schichten, was zusätzliche Freiheiten bietet.
Kürzlich haben Wissenschaftler experimentell das Klein-Paradoxon, also das ideale Tunneln in Gegenwart einer Potentialbarriere, im Fall eines topologischen Leiters in einem supraleitenden Zustand aufgezeichnet. Physiker bestätigten auch die Supraleitfähigkeit von Lanthanhydrid bei einer Temperatur von -23 Grad Celsius. Ein weiteres ungewöhnliches System ohne elektrischen Widerstand war mit Löchern angereichertes Bariumcuprat.
