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Sechslagiges Graphen zeigt ungewöhnliche Quantenzustände
Graphen aus sechs gegeneinander versetzten Atomlagen zeigt bei extremer Kälte eine ungewöhnliche Vielfalt elektronischer Zustände. In zwei Bereichen des Materials fanden sich Hinweise auf Supraleitung, während Elektronen und sogenannte Löcher gleichzeitig vorhanden waren. Außerdem lässt sich das Verhalten einer besonderen magnetischen Ordnung durch elektrische Felder umkehren.
Ithaca (U.S.A.). Graphen besteht aus Kohlenstoffatomen, die eine nur ein Atom dünne Schicht mit wabenförmiger Struktur bilden. Werden mehrere dieser Lagen übereinandergestapelt, verändern ihre Anordnung und ihre gegenseitigen Wechselwirkungen die elektronischen Eigenschaften des Materials. Dadurch können Zustände entstehen, die eine einzelne Graphenschicht nicht zeigt.
Bei rhomboedrisch gestapeltem Graphen sind die Atomlagen jeweils seitlich gegeneinander verschoben. In sechs solchen Lagen können sich die Energiebereiche von Elektronen und Elektronenfehlstellen, den positiv wirkenden Löchern, überlappen. Gerade in diesem sogenannten halbmetallischen Bereich sind ungewöhnliche kollektive Quantenzustände möglich, weil sich die Ladungsträger stark gegenseitig beeinflussen.
Forscher der Cornell University um Prof. Xiaomeng Liu haben nun untersucht, wie sich die elektronischen Zustände in rhomboedrisch gestapeltem Graphen mit sechs Lagen verändern. Dafür stellten sie eine Probe aus sechs Kohlenstoffschichten her, die zwischen isolierenden Schichten aus hexagonalem Bornitrid und elektrisch steuerbaren Graphitelektroden lag.
Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt veränderte das Team die Ladungsträgerdichte und legte elektrische sowie magnetische Felder an. Messungen des elektrischen Widerstands und von Quantenoszillationen zeigten, wie sich die von Elektronen besetzten Energiebereiche dabei umformen. Auf diese Weise ließen sich unterschiedliche Zustände des Materials in einer Art Landkarte erfassen.
Diese Landkarte enthält sowohl durch Elektronenwechselwirkungen geprägte isolierende Bereiche als auch magnetische und supraleitungsähnliche Zustände. Besonders aufschlussreich sind Zonen, in denen sich die Energiebänder überlagern und gleichzeitig negativ geladene Elektronen und positiv wirkende Löcher zum Stromtransport beitragen können.
In zwei eng begrenzten Bereichen sank der elektrische Widerstand beim Abkühlen stark ab. Auch die Abhängigkeit von Stromstärke und Magnetfeld entsprach typischen Anzeichen einer Supraleitung, bei der Strom ohne elektrischen Widerstand fließen kann. Beide Bereiche lagen dort, wo Elektronen und Löcher nebeneinander vorkamen.
In einem der Zustände zeigte sich die deutliche Widerstandsabnahme bei Temperaturen um 170 Millikelvin, also nur etwa 0,17 Kelvin über dem absoluten Nullpunkt. Die charakteristischen Signale blieben teilweise selbst bei einem parallel zu den Graphenlagen angelegten Magnetfeld von rund sechs Tesla erhalten. Das liegt deutlich oberhalb einer für herkömmliche Elektronenpaarung erwarteten Grenze und spricht für ungewöhnliche Eigenschaften dieses Zustands.
Allerdings erreichte der gemessene Widerstand in keinem der beiden Bereiche vollständig den Wert null. Die Befunde sind deshalb Hinweise auf supraleitungsähnliche oder empfindliche supraleitende Phasen, aber kein uneingeschränkter Nachweis verlustfreien Stromtransports. Dass beide Phasen gerade beim gleichzeitigen Auftreten von Elektronen und Löchern entstehen, deutet auf eine mögliche Beteiligung beider Ladungsträgerarten hin, belegt ihren genauen Mechanismus aber noch nicht.
Neben diesen Signalen identifizierte das Team zwei unterschiedliche Formen eines sogenannten orbitalen Magnetismus. Dabei entsteht die magnetische Ordnung durch die Bewegungszustände der Elektronen im Kristall und nicht allein durch ihren Eigendrehimpuls. Eine der beiden Formen trat bereits in der Nähe verschwindender elektrischer Feldstärke auf.