Im Labor der Cornell University stießen Wissenschaftler zufällig auf ein Material, das sich so verhält, als ob in ihm gleichzeitig zwei entgegengesetzte Welten von Elektronen nebeneinander existierten. Die Rede ist von rhomboedrischem sechslagigem Graphen – sechs Kohlenstoffschichten, die in einem sich wiederholenden Muster gegeneinander verschoben übereinanderliegen. Statt verdrillte Schichten zu untersuchen, erhielten die Forscher einen gleichmäßigen Stapel, und gerade dieser eröffnete unerwartete Quantenphasen.
Graphen ist seit Langem für seine Festigkeit und Leitfähigkeit bekannt, doch wenn die Schichten auf eine bestimmte Weise übereinanderliegen, beginnen die Elektronen viel stärker miteinander zu wechselwirken. In der sechslagigen Version entsteht bei einer bestimmten Ladungsträgerdichte und einem äußeren elektrischen Feld ein Zustand, in dem Elektronen und Löcher nebeneinander existieren und stark korreliert sind. Das erinnert an eine Menschenmenge, in der jeder die Bewegung seines Nachbarn beeinflusst, statt einfach seiner eigenen Wege zu gehen.
Die Messungen zeigten das Verschwinden des elektrischen Widerstands – ein Anzeichen für Supraleitung – sowie einen anomalen Hall-Effekt, der auf Orbitalmagnetismus hindeutet. Zwei supraleitende Zustände entstanden genau dort, wo sich Elektronen und Löcher überschneiden. Offenbar spielt ihre Wechselwirkung eine Schlüsselrolle bei der Ausbildung dieser Phasen, was in fünfschichtigem Graphen nicht beobachtet wurde.
Die Vorrichtung wurde zwischen Bornitridschichten platziert und über Gate-Felder gesteuert. Indem das Team die Temperatur, das Magnetfeld und die Trägerkonzentration variierte, erstellte es ein detailliertes Phasendiagramm. Darauf sind deutlich wechselwirkungsbedingte Isolatoren, Bereiche der Supraleitung und zwei Arten von Orbitalmagnetismus zu erkennen. Die Ergebnisse wurden in Nature Physics veröffentlicht.
Die Entdeckung ist nicht nur für die Grundlagenphysik wichtig. Das Verständnis dafür, wie die Wechselwirkung von Elektronen und Löchern Supraleitung ohne traditionelle Mechanismen hervorruft, könnte die Entwicklung von Materialien näherbringen, die bei höheren Temperaturen funktionieren. Solche Materialien könnten in Quantencomputern, energieeffizienten Übertragungsleitungen und neuen Sensoren nützlich sein.
Derzeit dringen die Forscher tiefer in die Natur des Orbitalmagnetismus ein. Sie prüfen die Hypothese, dass ein Teil der Ladungsträger eine kristallähnliche Struktur bildet, während die übrigen in einem flüssigkeitsähnlichen Zustand verbleiben. Diese Fragen gehen über den Rahmen der aktuellen Arbeit hinaus, doch schon jetzt ist klar: Sechslagiges Graphen ist zu einer neuen Plattform für die Untersuchung von Quantenkorrelationen geworden.
Die zufällige Entdeckung erinnert einmal mehr daran, dass es in der Welt der zweidimensionalen Materialien genügt, die Anzahl der Schichten oder ihre gegenseitige Anordnung zu ändern – und schon verwandeln sich gewohnte Eigenschaften in etwas völlig Neues.
