Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

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

01.08.2019

Das Verhalten von Hochtemperatur-Supraleitern ist in den letzten Jahrzehnten zum Fokus eines immensen Forschungsaufwands geworden. Diese Materialklasse ist dadurch charakterisiert, dass sie selbst bei relativ hohen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand zeigt. Nun erklärt ein Forschungsteam aus den Vereinigten Staaten, Deutschland und Japan in Nature, wie die elektronische Struktur von Twisted Bilayer-Graphen (TBLG) das Entstehen des isolierenden Zustandes in diesen Systemen beeinflusst - der Vorstufe zur Supraleitung in Hoch-Tc-Materialien.

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.


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

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.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

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

Originalpublikation:

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

Weitere Informationen:

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

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Spintronik: Physiker entdecken neues Material für hocheffiziente Datenverarbeitung
09.09.2019 | Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

nachricht Bestens ausgerichtet: Optimiertes Spritzgusswerkzeug stellt kurzfaserverstärkte Platten für unidirektionale Proben her
29.08.2019 | Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The working of a molecular string phone

Researchers from the Department of Atomically Resolved Dynamics of the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) at the Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg, the University of Potsdam (both in Germany) and the University of Toronto (Canada) have pieced together a detailed time-lapse movie revealing all the major steps during the catalytic cycle of an enzyme. Surprisingly, the communication between the protein units is accomplished via a water-network akin to a string telephone. This communication is aligned with a ‘breathing’ motion, that is the expansion and contraction of the protein.

This time-lapse sequence of structures reveals dynamic motions as a fundamental element in the molecular foundations of biology.

Im Focus: Meilensteine auf dem Weg zur Atomkern-Uhr

Zwei Forschungsteams gelang es gleichzeitig, den lang gesuchten Kern-Übergang von Thorium zu messen, der extrem präzise Atomkern-Uhren ermöglicht. Die TU Wien ist an beiden beteiligt.

Wenn man die exakteste Uhr der Welt bauen möchte, braucht man einen Taktgeber, der sehr oft und extrem präzise tickt. In einer Atomuhr nutzt man dafür die...

Im Focus: Milestones on the Way to the Nuclear Clock

Two research teams have succeeded simultaneously in measuring the long-sought Thorium nuclear transition, which enables extremely precise nuclear clocks. TU Wien (Vienna) is part of both teams.

If you want to build the most accurate clock in the world, you need something that "ticks" very fast and extremely precise. In an atomic clock, electrons are...

Im Focus: Künstliche Intelligenz bringt Licht ins Dunkel

Die Vorhersage von durch Licht ausgelösten molekularen Reaktionen ist bis dato extrem rechenaufwendig. Ein Team um Philipp Marquetand von der Fakultät für Chemie der Universitäten Wien hat nun unter Nutzung von künstlichen neuronalen Netzen ein Verfahren vorgestellt, welches die Simulation von photoinduzierten Prozessen drastisch beschleunigt. Das Verfahren bietet neue Möglichkeiten, biologische Prozesse wie erste Schritte der Krebsentstehung oder Alterungsprozesse von Materie besser zu verstehen. Die Studie erschien in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Chemical Science" und eine zugehörige Illustration auf einem der Cover.

Maschinelles Lernen spielt in der chemischen Forschung eine immer größere Rolle, z.B. bei der Entdeckung und Entwicklung neuer Moleküle und Materialien. In...

Im Focus: Graphene sets the stage for the next generation of THz astronomy detectors

Researchers from Chalmers University of Technology have demonstrated a detector made from graphene that could revolutionize the sensors used in next-generation space telescopes. The findings were recently published in the scientific journal Nature Astronomy.

Beyond superconductors, there are few materials that can fulfill the requirements needed for making ultra-sensitive and fast terahertz (THz) detectors for...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Die Digitalisierung verändert die Medizin

13.09.2019 | Veranstaltungen

Wie verändert Autonomes Fahren unseren Alltag?

12.09.2019 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz – Wie können wir Algorithmen vertrauen?

11.09.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Die Digitalisierung verändert die Medizin

13.09.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Toxoplasmose-Erreger: Recyclingmechanismus stellt Vermehrung des Parasits Toxoplasma gondii sicher

13.09.2019 | Biowissenschaften Chemie

Hoher Wert für die Hubble-Konstante mit Hilfe von Gravitationslinsen

13.09.2019 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics