Nanomaterialien Lithium-dotiertes Graphen wird zum Supraleiter

Redakteur: Sebastian Gerstl

Einem Forschungsteam aus Deutschland und Kanada ist es erstmals gelungen, Graphen supraleitend zu machen. Hierzu dotierten sie das Material mit einer Schicht aus Lithium-Atomen. Bisher war diese Umsetzung nur in Computermodellen gelungen.

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Superleitendes Graphen: Indem sie das Material mit einer Schicht an Lithium-Atomen beschichteten ist es Physikern der University of British Columbia gelungen, Graphen zu einem Supraleiter zu machen.
Superleitendes Graphen: Indem sie das Material mit einer Schicht an Lithium-Atomen beschichteten ist es Physikern der University of British Columbia gelungen, Graphen zu einem Supraleiter zu machen.
(Bild: Andrea Damascelli / University of British Columbia)

Graphen gilt als ein Material mit äußerst geringem elektrischen Widerstand. Von den Eigenschaften eines echten Supraleiters ist es aber generell noch weit entfernt: In einem wahren Supraleiter gelangt Elektrizität ungehindert jeglichen Widerstands von einem Ende der Leitung zum anderen.

Bereits 2012 entwarfen einige Wissenschaftler jedoch bereit ein Computermodell eines Graphen-Supraleiters. Eine Dotierung mit Lithium-Atomen hätte demnach zur Folge, dass die Elektronen im Material neu verteilt werden. Als Folge dieser Neuverteilung wird dem Graphen-Molekül ein Phonon hinzugefügt – eine quantisierte Gitterschwingung, die nach dem Modell in der Lage wäre, fließende Elektronen in sogenannte Cooper-Paaren zusammenzuschließen. Diese Cooper-Paare treten für gewöhnlich bei sehr tiefen Temperaturen als Voraussetzung für den supraleitenden Zustand auf.

Auch bei der experimentellen Dotierung des Graphens sind solche Tiefsttemparaturen notwendig: Die Lithium-Atome wurden bei einer Temperatur von 8°K / -267,25°C aufgetragen. Mittels winkelaufgelöster Photoemissionsmessungen (angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES) konnten die Forscher die Bildung der erhofften Cooper-Paare ermitteln. Die gemessene Umwandlungstemperatur für das supraleitfähige Graphen lag letztlich sogar noch tiefer, bei 5,9°K / -267,25°C.

Während also die vom Computermodell vorhergesagte Supraleitfähigkeit prinzipiell möglich ist, löst das Material gegenwärtig noch nicht das generelle Problem der hierfür nötigen Tieftemperaturen. Günstigere oder größere Supraleitfähige Anlagen oder Kabel auf Grundlage dieser Forschung sind mittelfristig nicht zu erwarten. Dennoch dürfte der erbrachte Nachweis nach Ansicht der Wissenschaftler einen signifikanten Meilenstein darstellen: „Diese erste experimentelle Umsetzung von Supraleitfähigkeit in Graphen verspricht, eine neue Ära Graphen-basierter Elektronik und nanoskaliger Quantengeräte einzuläuten“ sagt Andrea Damascelli, Leiter des Instituts für Quantenmaterial der kanadischen University of British Columbia in Vancouver und leitender Wissenschaftler der erbrachten Studie.

Graphen könnte beispielsweise als Material für supraleitende Kabel dienen, welche in der Lage wären, Strom verlustfrei zu transportieren und auf raumgreifende Hochspannungstechnik zu verzichten. RWE Deutschland testet etwa seit einigen Jahren die technische Umsetzbarkeit von Supraleitkabeln.

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