Strom ohne Widerstand leiten

Man kann dies ohne Zweifel als Durchbruch bezeichnen: Doppelschichten aus Graphen haben eine Eigenschaft, die ihnen erlauben könnte, Strom völlig widerstandslos zu leiten. Graphen bestehen aus Kohlenstoff so wie Graphit oder Diament mit dem Unterschied, dass die Kohlenstoffatome siich zweidimensional in Form von Honigwaben angeordnet sind. Diese Struktur ließ Strom schon sehr gut fließen, die Graphen konnte man jedoch bis dato nicht als Supraleiter bezeichnen.

Zum Hintergrund: Im April 2018 zeigte eine Gruppe am MIT, USA, dass sich in einer doppelten Lage aus Graphen eine Form der Supraleitung erzeugen lassen könnte: Dafür müssen die beiden aufeinandergelegten Honigwaben um den Winkel von 1,1° gegeneinander verdreht werden. Dazu das HZB erklärend: “Dies verändert die so genannte Bandstruktur der Elektronen, die beschreibt, wie sich die Ladungsträger auf quantenmechanisch zulässige Energiezustände verteilen und welche Ladungsträger überhaupt für den Transport zur Verfügung stehen. Durch den „magischen Winkel“ entstehen flache Bereiche in dieser Bandstruktur, so dass sich ein Teil der Ladungsträger frei bewegen kann.” Noch sei die Herstellung solcher exakt verdrehten Doppellagen viel zu aufwändig für die Massenproduktion, was aber am Ende des Tages eine Frage der Optimierung und Skalierung ist. Wirtschaftliche Probleme lassen sich lösen.

Oder durch neue Ansätze in der Produktion: Eine Gruppe am HZB rund um Prof. Dr. Oliver Rader und Dr. Andrei Varykhalov an BESSY II zeigen, dass es eine deutlich einfachere Möglichkeit gibt, um flache Bereiche in der Bandstruktur von Graphen zu erzeugen. Die Proben hatte Prof. Dr. Thomas Seyller, TU Chemnitz, mit einem Verfahren hergestellt, das auch für die Produktion größerer Flächen geeignet ist: Ein Siliziumkarbidkristall wird erhitzt, bis Siliziumatome von der Oberfläche verdunsten. Die verbliebenen Kohlenstoffatome bilden zunächst eine Lage Graphen auf der Oberfläche und dann eine zweite Lage Graphen. Die beiden Graphen-Schichten sind dabei nicht gegeneinander verdreht, sondern liegen genau übereinander, was ohne Zweifel einfacher zu produzieren ist.

Dieser daraus entstehende sogenannte “flache” Bereich der Bandstruktur ermöglicht eine bestimmte Form der Supraleitung, da sich Ladungsträger (Elektronen) in diesem Bereich völlig frei bewegen können. Allerdings nur, wenn sich der flache Bereich genau in Höhe der Fermi-Energie befindet, so das HZB.

Resultat ist: Strom lässt sich ohne Widerstand leiten, was gerade für den Bau von beispielsweise Quantencomputer Relevanz haben kann.

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