Physikerinnen und Physiker der EPFL und ihre Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter haben ein seltenes Muster von Doppelkuppel-Supraleitung in verdrilltem dreilagigem Graphen direkt beobachtet und kontrolliert. Dieser Durchbruch ermöglichte es ihnen, die Entstehung und Wechselwirkung exotischer Quantenzustände in technischen Materialien besser zu verstehen.
Supraleitung ist ein Phänomen, bei dem bestimmte Materialien Elektrizität mit einem Widerstand von null leiten können. Offensichtlich bietet dies erhebliche technologische Vorteile, was die Supraleitung zu einem der intensivsten Forschungsgebiete der Welt macht.
Doppelte Kuppeln
Doch die Supraleitung ist nicht einfach. Nehmen wir zum Beispiel den Doppelkuppeleffekt. Wenn Wissenschaftler nachzeichnen, wo die Supraleitung in einem Material auftritt, wenn sie die Anzahl der Elektronen im Material verändern, sehen die supraleitenden Bereiche des Materials auf einer Grafik manchmal wie zwei verschiedene "Kuppeln" aus.
Mit anderen Worten: Das Material wird supraleitend, hört dann auf, supraleitend zu sein, und wird dann wieder supraleitend, wenn wir seine Elektronendichte verändern.
Die Verbindung von Graphen
Die Doppelkuppel-Supraleitung wurde bereits in einigen komplexen Materialien wie Graphen beobachtet. Graphen ist im Wesentlichen ein Blatt aus nur ein Atom dicken Kohlenstoffatomen, die in einem wabenförmigen Muster miteinander verbunden sind. Dennoch hat es den Bereich der Quantenmaterialforschung verändert, weil es wirklich seltsame Effekte zeigt.
Wenn wir zum Beispiel zwei Graphenschichten übereinander stapeln und sie in bestimmten Winkeln verdrehen, verhalten sich die Elektronen im Graphen auf neue und unerwartete Weise und erzeugen Quantenphasen wie Magnetismus, elektrische Isolation und natürlich Supraleitung.
Es gibt jedoch eine noch komplexere Graphenstruktur, die noch einen Schritt weiter geht, indem sie eine dritte Schicht hinzufügt, wodurch das System noch komplexer und anpassbarer wird: das dreilagige, verdrillte Graphen mit magischem Winkel (Magic Angle Twisted Triple Layer Graphene, MATTG). Mit MATTG können Forscherinnen und Forscher nun ein Doppelkuppelmuster der Supraleitung beobachten und kontrollieren, das zuvor nur in Graphensystemen vermutet wurde.
Doppelkuppel-Supraleitung in verdrilltem Graphen
Nun hat ein Team unter der Leitung von Mitali Banerjee von der EPFL in Zusammenarbeit mit Partnern in der Schweiz, Grossbritannien und Japan nachgewiesen, dass MATTG eine direkte Kontrolle des Doppelkuppel-Supraleitfähigkeitsmusters ermöglicht. Durch sorgfältiges Stapeln der Schichten und Anpassen des elektrischen Feldes konnten die Forscherinnen und Forscher das System verfeinern und das Auftreten oder Verschwinden der Supraleitung durch Variation der Anzahl der Elektronen verfolgen.
Ihre durch die Theorie gestützten Experimente zeigten, dass zwei unterschiedliche supraleitende Regionen - die Dome - entstehen, wenn sie die Anzahl der Elektronen im MATTG allmählich verändern. Die Arbeit beleuchtet, wie unkonventionelle Supraleitung in 2D-Materialien erzeugt und kontrolliert werden kann.
Die Forscherinnen und Forscher entwarfen Vorrichtungen aus drei Graphenschichten, die so gestapelt wurden, dass die mittlere Schicht um etwa 1,55 Grad gegenüber den anderen Schichten verdreht war. Sie platzierten den Stapel zwischen dünnen Schichten aus isolierendem hexagonalem Bornitrid. Dann fügten sie Elektroden und Gitter hinzu, um die Elektronendichte genau zu kontrollieren und ein elektrisches "Verschiebungsfeld" anzulegen, mit dem die Forscherinnen und Forscher einstellen konnten, wie sich die Elektronen durch das Material bewegen, wodurch die Supraleitung ein- oder ausgeschaltet werden konnte.
Die Wissenschaftler haben dann gemessen, wie sich der Widerstand des MATTG verändert, wenn sie die Elektronendichte, das Magnetfeld und den angelegten Strom bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (100 Millikelvin) variieren. Dadurch konnten sie die Bereiche, in denen Supraleitung auftrat, kartographieren.
Durch die Anpassung des Verschiebungsfeldes konnten sie die Bandstruktur des Materials (das Regelwerk, das bestimmt, wie sich Elektronen innerhalb des Materials bewegen und verhalten können) weiter anpassen, wodurch sie das Auftreten und Verschwinden des Doppelkuppelmusters steuern konnten.
Das Team beobachtete, dass die Supraleitung in verdrehtem dreilagigem Graphen nicht einen einzigen glatten Bereich bildet, sondern sich in zwei separate Kuppeln aufteilt, wenn die Elektronendichte angepasst wird. Zwischen den Kuppeln wird die Supraleitung stark unterdrückt, was auf eine mögliche Konkurrenz oder eine Veränderung des zugrunde liegenden Paarungsmechanismus hindeutet.
Jede Kuppel wies einzigartige Merkmale auf: Eine Seite zeigte einen deutlicheren und plötzlicheren Übergang in den supraleitenden Zustand, und die Messungen zeigten eine Art "Gedächtnis", wie das Material auf elektrischen Strom reagierte: Die Art und Weise, wie es auf einen Anstieg des Stroms reagierte, war nicht die gleiche wie die Art und Weise, wie es auf einen Rückgang des Stroms reagierte. Die andere Kuppel zeigte einen sanfteren und langsameren Übergang zur Supraleitung, ohne Anzeichen eines "Gedächtnisses".
Die Forscherinnen und Forscher entwickelten theoretische Arbeiten (Hartree-Fock-Berechnungen), um ihre experimentellen Ergebnisse zu interpretieren. Sie zeigten, dass subtile Veränderungen in der Anordnung der Elektronen, die sowohl durch die Wechselwirkungen als auch durch das angelegte Verschiebungsfeld geformt werden, bestimmen, wo die Supraleitung begünstigt wird. Die Daten weisen auf verschiedene Arten von Elektronenpaarungen in den beiden Kuppeln hin, die möglicherweise mit Veränderungen in der elektronischen "Ordnung" des Systems zusammenhängen.
Die Studie zeigt, dass MATTG das erste System ist, in dem die Doppelkuppel-Supraleitung direkt durch ein elektrisches Feld gesteuert werden kann. Sie bietet eine neue Möglichkeit, die Entstehung und Einstellung unkonventioneller Supraleitung zu untersuchen, und eröffnet damit Möglichkeiten für das Design von Quantengeräten oder die Erforschung neuer Materiezustände in technischen Materialien.
Schweizerischer Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (SNF)
Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union
JSPS-Zuschüsse für wissenschaftliche Forschung (KAKENHI), Japan
Erste weltweite Initiative der internationalen Forschungszentren (WPI), Japan
Universität Zürich
Internationales Professorenstipendium des Leverhulme Trust
Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC)
Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme (Gutzwiller-Stipendium)
ReferenzenZekang Zhou, Jin Jiang, Paritosh Karnatak, Ziwei Wang, Glenn Wagner, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Christian Schönenberger, S. A. Parameswaran, Steven H. Simon, Mitali Banerjee. Gate-tunable Double-dome Superconductivity in Twisted Trilayer Graphene. Nature Physics 30. September 2025: DOI: 10.1038/s41567-025-03040-2
