Britisch-israelisch-norwegische Kooperation
Die Forschungsarbeiten wurde geleitet von Angelo Di Bernardo und Jason Robinson und zusammen mit Andrea Ferrari aus dem Cambridge Graphene Center, Oded Millo von der Hebräischen Universität Jerusalem und Jacob Linder, an der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Trondheim, durchgeführt.
„Man ging seit langem davon aus, dass Graphen unter passenden Bedingungen zur Supraleitung übergehen würde, konnte das aber nicht erreichen“, sagte Robinson. „Die Idee dieses Experiments war: wenn wir Graphen an einen Supraleiter anschließen, können wir dann diese intrinsische Supraleitung einschalten? Die Frage ist dann, wie kann man wissen, dass die Supraleitung, die man sieht, aus dem Graphen selbst kommt, und nicht aus dem darunter liegenden Supraleiter?“
Ähnliche Ansätze wurden in früheren Studien unter Verwendung von Supraleitern auf Metallbasis unternommen, jedoch mit begrenztem Erfolg. „Das Aufbringen von Graphen auf ein Metall kann dessen Eigenschaften dramatisch verändern, so dass es sich technisch nicht mehr so verhält, wie wir es erwarten würden“, sagte Di Bernardo. „Was man sieht, ist nicht die intrinsische Supraleitung des Graphens, sondern einfach, dass diejenige des darunter liegenden Supraleiters weiterleitet.“
Die Supraleitung des Graphens wurde durch Kopplung mit einem Material namens Praseodym-Cer-Kupferoxid (PCCO) erreicht. PCCO ist ein Oxid aus einer breiteren Klasse von supraleitenden Materialien mit dem Namen „Cuprate“, das für seine Leitungsfähigkeit bei hohen Temperaturen bekannt ist. Es hat gut verstandene elektronische Eigenschaften, und mittels Raster- und Tunnelmikroskopie waren die Forscher in der Lage, die Supraleitfähigkeit des PCCO von der in Graphen beobachteten Supraleitung zu unterscheiden. Die Supraleitung ist durch die Art charakterisiert, mit der die Elektronen interagieren: Innerhalb eines Supraleiters bilden die Elektronen Paare, und die Spinausrichtung zwischen den Elektronen eines Paars kann in Abhängigkeit von dem Typ oder der „Symmetrie“ der Supraleitung verschieden sein. In PCCO beispielsweise ist der Spin-Zustand der Paare „fehlausgerichtet“ (antiparallel), was als „d-Wellen-Zustand“ bekannt ist.
Im Gegensatz dazu, wenn Graphen in dem in Cambridge durchgeführten Experiment an das supraleitende PCCO gekoppelt wurde, führten die Ergebnisse zu der Annahme, dass die Elektronenpaare in Graphen in einem p-Wellen-Zustand waren. „Was wir im Graphen gesehen haben, war mit anderen Worten eine ganz andere Art von Supraleitung als bei PCCO“, sagte Robinson. „Das war ein wirklich wichtiger Schritt, denn es bedeutete, dass wir wussten, dass die Supraleitung nicht von außen kam und dass die PCCO deshalb nur die intrinsische Supraleitfähigkeit von Graphen auslösen musste.“
Es bleibt unklar, welche Art von Supraleitung das Team aktiviert hat, aber seine Ergebnisse zeigen deutlich, dass es die schwer fassbare „p-Wellen“-Form ist. Wenn das zutrifft, könnte die Studie die laufende Debatte darüber verändern, ob diese geheimnisvolle Art der Supraleitung existiert, und – wenn ja – was sie genau ist.