Neue Studie zeigt die Ähnlichkeiten der isolierenden Zustände in Twisted Bilayer-Graphen und Kupraten

Hochaufgelöste STM-Abbildung von TBLG beim 'magic angle', wo elektronische Wechselwirkungen relevant werden. Rechts: Das vergrößerte STM-Bild zeigt das zugrundeliegende Gitter von TBLG. Alexander Kerelsky, Columbia University

Die Entdeckung eines bei Raumtemperatur supraleitenden Materials würde zu einer technologischen Revolution führen – zum Beispiel, indem sie helfen würde, die Energiekrise zu vermindern (da heutzutage der größte Energieverlust auf dem Weg von der Erzeugung zur Nutzung stattfindet) und indem bislang ungeahnte Rechnerleistungen ermöglicht würden.

Dennoch fehlt trotz aller Forschungsfortschritte noch immer eine komplette theoretische Erklärung dieses Phänomens. Daher beruht die Suche nach Supraleitung bei Raumtemperatur vorwiegend auf einem empirischen Verfahren: Der experimentellen Nutzung verschiedenster Materialkonfigurationen.

2018 gelang ein Forschungsdurchbruch, als Wissenschaftler demonstrierten, dass die Materiephasen von TBLG denen von Hoch-Tc-Kupraten, einer spezifischen Klasse supraleitender Materialien, ähneln. TBLG könnte demnach eine einfachere und besser kontrollierbare Plattform bieten, um das Verhalten von Hoch-Tc-Kupraten zu studieren.

In der jetzigen Studie untersuchte das Forschungsteam vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg, der Freien Universität Berlin, Columbia University, dem Center for Computational Quantum Physics am Flatiron Institute (beide in den USA) und dem National Institute for Materials Science in Japan den isolierenden Zustand von TBLG.

Dieses Material besteht aus zwei atomar dünnen Graphenschichten, die sehr leicht verwinkelt übereinander liegen. In einer solchen Struktur entsteht der isolierende Zustand vor der Hoch-Tc-Supraleitungsphase. Um Supraleitung in TBLG zu steuern, benötigen wir ein genaueres Verständnis dieser Phase und was ihr vorausgeht.

Die Proben wurden mit Scanning Tunnelling Microscopy / Spectroscopy (STM / STS) untersucht – einer Methode, die es erlaubt, leitende Oberflächen Atom für Atom zu erforschen. Die Wissenschaftler nutzten die „tear and stack“ („reißen und stapeln“)-Technik, um zwei atomdünne Graphenschichten aufeinander zu legen und sie leicht zu rotieren. Dann generierte das Team eine genaue Beschreibung der atomaren strukturellen und elektronischen Eigenschaften des Materials nahe des „magischen Winkels“ von ungefähr 1,1°.

Die Ergebnisse, die Nature nun veröffentlicht hat, bieten neue Anhaltspunkte zur Frage, welche Faktoren die Entstehung von Supraleitung in TBLG beeinflussen. Das Team beobachtete, dass der isolierende Zustand (als Vorgänger der Supraleitung) entsteht, wenn das System bis zu einem bestimmten Maß mit Elektronen befüllt wird. Dadurch können Forscher das Ausmaß und die Art der Wechselwirkungen zwischen den Elektronen in diesen Systemen einschätzen – ein maßgeblicher Schritt auf dem Weg zu ihrer Beschreibung.

Die Forschungsergebnisse zeigen insbesondere, dass nahe des „magischen Winkels“ zwei getrennte van Hove-Singularitäten (vHs) in der lokalen Zustandsdichte mit einem Dotierungs-abhängigen Abstand von 40-57meV entstehen.

Dies zeigt erstmals und eindeutig, dass der vHs-Abstand bedeutend größer ist als bislang angenommen wurde. Zudem zeigt das Team, dass die vHs sich in zwei aufspalten, wenn das System bis fast zur halben Moiréband-Füllung dotiert wird. Die Erklärung für diese dotierungsabhängige Aufspaltung liegt in der Wechselwirkung, welche eine Anregungslücke im Spektrum hervorruft. Dies ist ein Hinweis, dass Elektron-Elektron Wechselwirkungen eine prominente Rolle spielen.

Das Team entdeckte, dass das Verhältnis aus Coulomb-Wechselwirkung und Bandbreite jeder einzelnen vHs eine wichtigere Rolle für den „magischen Winkel“ spielt, als die vHs-Aufspaltung. Dies legt nahe, dass der angrenzende supraleitende Zustand von einem Cooper-ähnlichen Paarungsmechanismus gesteuert wird, der wiederum auf den Wechselwirkungen der Elektronen basiert.

Außerdem zeigen die STS-Ergebnisse eine Tendenz zu spontaner elektronischer Brechung der Rotationssymmetrie des zugrundeliegenden Gitters, welche in sehr ähnlicher Form in Kupraten nahe dem supraleitenden Zustand auftritt.

Mit dieser Studie ist es dem Team gelungen, die physikalische Äquivalenz zwischen Hoch-Tc-Kupraten und TBLG zu erklären. Die durch TBLG gewonnenen Einblicke werden das Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung in Kupraten vertiefen und zu einer genaueren Analyse des detaillierten Verhaltens dieser faszinierenden Systeme führen.

Diese aus Transportexperimenten gewonnenen Ergebnisse zu den Eigenschaften der supraleitenden und isolierenden Zustände werden es Forschern ermöglichen, theoretische Maßstäbe zu setzen und TBLG als ein Werkzeug für eine vollständigere Beschreibung von Hoch-Tc-Kupraten zu nutzen. Die Forschungsarbeit dieses internationalen Teams bahnt den Weg für einen systematischeren Ansatz in der Suche nach Supraleitung bei zunehmend höheren Temperaturen.

Alexander Kerelsky, Columbia University (Lead Author): a.kerelsky@columbia.edu
Lede Xian, Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie: lede.xian@mpsd.mpg.de

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1431-9

https://www.mpsd.mpg.de/545551/2019-07-magicangle-xian

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Jenny Witt Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

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