Zwei unterschiedliche supra leitende Zustände gefunden in Bernal Doppelschicht Graphen fordern aktuelle Modelle heraus.

19. Februar 2025 feature

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Supraleitung ist eine weit verbreitete Materialeigenschaft, die einen elektrischen Widerstand von Null unterhalb einer bestimmten kritischen Temperatur bedeutet. Bisher wurde sie in verschiedenen Materialien beobachtet, einschließlich kürzlich in sogenannten Multilayer-Graphen-Allotropen (dh Materialien, die aus mehreren Schichten eines sechseckigen Kohlenstoffgitters bestehen).

Jüngste Studien haben herausgefunden, dass die supraleitende Phase von bilayer Graphen verstärkt wird, wenn es auf einem WSe2 (Wolfram-Diselenid) Substrat platziert wird. Dies führt zu einer höheren Ladungsträgerdichte und einer höheren kritischen Temperatur (dh der Temperatur, bei der ein Material zu einem Supraleiter wird).

Forscher der University of California in Santa Barbara und des California Institute of Technology haben eine Studie durchgeführt, um diese Verstärkung im Graphit-Allotrop Bernal bilayer Graphen weiter zu untersuchen. Ihr Artikel, veröffentlicht in Nature Physics, berichtet von der Beobachtung von zwei unterschiedlichen supraleitenden Zuständen in diesem Material, die gängige Modelle der Elektronenpaarung in Graphitallotropen in Frage stellen.

'Vor dieser Arbeit hatten wir Supraleitung in bilayer Graphen ohne WSe2 beobachtet und unsere Kollaborateure von Caltech, Prof. Stevan Nadj-Perge und Yiran Zhang, ein damaliger Doktorand, hatten uns von ihren aktuellen Ergebnissen einer höheren kritischen Temperatur bei proximitisiertem bilayer Graphen mit WSe2 erzählt', sagte Ludwig Holleis, Erstautor des Artikels, gegenüber Phys.org. 'Wir haben begonnen, uns mit dieser neu entdeckten Supraleitung und der Verbesserung der kritischen Temperaturen und Magnetfelder zu beschäftigen.'

Das Hauptziel der kürzlich von Holleis und seinen Kollegen durchgeführten Studie war es, das Verständnis der Verbesserung der kritischen Temperaturen und Magnetfelder, die zuvor in bilayer Graphen in der Nähe von WSe2 berichtet wurden, sowie des Grundzustands, aus dem sie hervorgehen, zu vertiefen. Dazu untersuchten sie denselben Supraleiter, der während einer zuvor am Caltech durchgeführten Studie die höchste kritische Temperatur aufwies.

'Wir haben denselben Supraleiter erneut im von uns gemessenen Probenmaterial gefunden und auch den zweiten Superleiter beobachtet, der eine wesentlich geringere kritische Temperatur aufweist', erklärte Holleis. 'Das Beobachten des Supraleiters an sich ist der einfache Teil, da wir nur Widerstandsmessungen durchgeführt haben. Die Eigenschaften dann zu verstehen, ist schwieriger.

'Dafür haben wir hochauflösende Quantenoszillationen durchgeführt, die die Fermifläche der Elektronen messen - vereinfacht ausgedrückt, die Zustände im Impulsraum, auf denen das Elektron leben kann.'

Interessanterweise stellten die Forscher fest, dass die gesammelten Messungen nicht mit der Rotationssymmetrie des Kristalls kompatibel waren, den sie untersuchten. Stattdessen beobachteten sie eine bevorzugte Richtung, die als Nematicität bekannt ist.

'Nematicität wurde bei anderen supraleitenden Materialien wie Eisen-Supraleitern gefunden und könnte auch hier eine wichtige Rolle für die Supraleitung spielen', sagte Holleis. 'Mit dem zweiten Hauptergebnis, der Begrenzung der in Planen kritischen Felder durch das orbitale Depairen, versuchten wir, einige rätselhaftere Daten zu verstehen.'

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'Grundsätzlich wird das in-plane kritische Magnetfeld entweder durch die Pauli-Sperre oder durch die Ising-Spin-Bahn-Kopplung allgemein festgelegt, wie es hier der Fall sein sollte. Keines von beiden schien zu den experimentellen Daten zu passen.'

Nachdem sie ihre Messungen mit dem theoretischen Physiker Prof. Erez Berg am Weizman-Institut und seinem Studenten Yaar Vituri diskutiert hatten, schlugen Holleis und seine Kollegen einen neuen Depairen-Mechanismus für die Supraleitung von In-Plane-Orbitalmomenten vor. Ihre Arbeit könnte bald neue Studien inspirieren, die die beobachteten unterschiedlichen supraleitenden Phasen erforschen, während sie auch dazu beitragen, Theorien zu begrenzen, die die Paarungsmechanismen in Graphitallotropen vorhersagen.

'Wir haben bereits einen Folgeartikel zur Supraleitung in dreilagigem Graphen mit WSe2 eingereicht, der von zwei anderen Doktoranden in unserem Labor, Caitlin Patterson und Owen Sheekey, geleitet wird', fügte Holleis hinzu. 'Im Allgemeinen ist es schwierig, diese (inzwischen vielen) Supraleiter in Multilayer-Graphen zu verstehen, und derzeit arbeiten wir an neuen experimentellen Techniken, um ihre Geheimnisse zu entschlüsseln.'

Weitere Informationen: Ludwig Holleis et al., Nematicity and orbital depairing in superconducting Bernal bilayer graphene, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02776-7

Caitlin L. Patterson et al., Supraleitung und Spin-Kippen in spin-bahn-nahen rhomboedrischen Trilayer-Graphen, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2408.10190

Journal Informationen: Nature Physics, arXiv

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