Supraleiter Eingegipste Elektronen führen zur Supraleitung

Autor / Redakteur: Philipp Merkl und Chaw-Keong Yong / Peter Königsreuther

Physiker aus Regensburg und Marburg können Wechselwirkungen von Elektronen maßschneidern. Dabei kommt es zu Korrelationseffekten, die manchen Festkörper zum Supraleiter werden lassen.

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Prinzip des Koppelungseffekts zwischen einem Exziton (gebundenes Elektronen-Loch-Paar) und den Gitterschwingungen über eine Grenzfläche aus Wolframdiselenid-Gips hinweg. Das kann zum Supraleiter werden.
Prinzip des Koppelungseffekts zwischen einem Exziton (gebundenes Elektronen-Loch-Paar) und den Gitterschwingungen über eine Grenzfläche aus Wolframdiselenid-Gips hinweg. Das kann zum Supraleiter werden.
(Bild: P. Merkl / Universität Regensburg)

In einem Kubikzentimeter eines Festkörpers befindet sich typischerweise die unvorstellbar große Zahl von 10²³ Elektronen – eine 1 mit 23 Nullen. Selbst eine scheinbar einfache Wechselwirkung zwischen dieser Masse an Elektronen kann bei einem derart extremen Vielteilchenproblem zu verblüffenden Korrelationen führen. Bestimmte Festkörper kann das in Supraleiter verwandeln, die elektrischen Strom dann völlig verlustfrei leiten. Normalerweise sind solch merkwürdige Phänomene quasi „gottgegebene“ Materialeigenschaften. Die Entdeckung von atomar dünnen Schichtmaterialien, wie Graphen, also eine einzelne Lage Graphitatome, oder sogenannte Übergangsmetall-Dichalkogeniden hat jedoch Möglichkeiten eröffnet, mit denen die Elektronenkorrelationen und Phasenübergänge aktiv maßgeschneidert werden können. Durch präzises Stapeln zweier Graphenlagen unter bestimmten Winkeln kann so etwa ein künstlicher Supraleiter hergestellt werden. Theoretische Arbeiten weisen darauf hin, dass auch die Kopplung der Elektronen an Atomschwingungen in den Schichtkristallen die Wechselwirkung der Elektronen entscheidend beeinflussen könnte.

Mit Gips und Grips zu neuen Erkenntnissen

Regensburger Physiker haben deshalb in Kooperation mit der Expertengruppe von Ermin Malic von der Philipps Universität in Marburg einen neuen Ansatz entwickelt, mit dem die Wechselwirkung zwischen Elektronen in atomar dünnen Kristallen durch Kopplung an polare Gitterschwingungen eines benachbarten Materials kontrollierbar werden sollen. Dazu wurden Einzellagen eines Übergangsmetall-Dichalkogenids einfach mit einer Schicht aus Calciumsulfat-Dihydrat bedeckt, das auch als Gips bekannt ist. Um die Kopplungsstärke zwischen Elektronen und Gitterschwingungen zu bestimmen, regen die Physiker zunächst Elektronen in einer halbleitenden Wolframdiselenid-Monolage mithilfe eines ultrakurzen Laserblitzes an. Dabei bleibt eine Fehlstelle – ein sogenanntes Loch – am ursprünglichen Platz des Elektrons zurück. Aufgrund ihrer gegensätzlichen Ladung sind Elektron und Loch durch die sogenannte Coulomb-Anziehungskraft aneinander gebunden. Das ist wie beim Elektron im Wasserstoffatom, das an den Kern gebunden ist. Es bildet sich ein sogenanntes Exziton (Elektronen-Loch-Paar). Um die Wechselwirkung zwischen den beiden Ladungsträgern zu bestimmen, kann man die atomähnliche Energiestruktur der Exzitonen mit ultrakurzen infraroten Lichtimpulsen beobachten. Das überraschende Ergebnis: Wird die Wolframdiselenid-Monolagen mit einer dünnen Gipsschicht bedeckt, verändert sich die interne Struktur der Exzitonen deutlich.

Eine weitere Atomschicht erhöht die Kontrolle

Allein die räumliche Nähe der Gipsschicht reicht dabei aus, um die Exzitonen stark an polare Gitterschwingungen der Gipsstruktur zu koppeln. Obwohl dieser Kopplungsmechanismus zwischen Elektronen und Atomschwingungen in verschiedenen atomar dünnen Schichten stattfindet, ist die Wechselwirkung so stark, dass sie zu einem neuen Quasiteilchen verschmelzen. Nachdem die Forscher den „Dreh“ raushatten, begannen sie mit diesem Effekt zu spielen. Und zwar so, dass sie eine weitere atomdünne Schicht zwischen

Wolframdiselenid und Gips einfügten. So gelingt es, den räumlichen Abstand zwischen Elektronen und Phononen atomar genau einzustellen. Ein Phonon ist die elementare Anregung, also ein Quant, in einem elastischen Feld. Mit dieser Strategie kann man die Kopplungsstärke mit noch höherer Präzision kontrollieren. So dürften neue maßgeschneiderte elektronische Eigenschaften in 2-dimensionalen Materialien machbar werden. Anwendungs-Chancen mit Blick auf eine verlustfrei arbeitende Elektronik und auf Quanteninformationstechniken der Zukunft rücken durchaus näher.

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