Eine Material-Klaviatur aus Graphen

Zur Herstellung moderner elektronischer Bauteile braucht es Materialien mit v?llig verschiedenen Eigenschaften. Da sind zum Beispiel Isolatoren, die keinen elektrischen Strom leiten, und Supraleiter, die ihn komplett verlustfrei transportieren. Um eine bestimmte Funktionsweise des Bauteils zu erhalten, muss man in der Regel mehrere solcher Materialien zusammenf¨¹gen. Besonders bei den heute weitverbreiteten Nanostrukturen ist das allerdings oft nicht einfach. Forschenden der ETH Z¨¹rich unter der Leitung von Klaus Ensslin und Thomas Ihn am Labor f¨¹r Festk?rperphysik ist es jetzt gelungen, ein Material durch einfaches Anlegen einer elektrischen Spannung dazu zu bringen, sich einmal als Isolator und einmal als Supraleiter zu verhalten ¨C oder sogar als beides an verschiedenen Stellen im selben Material. Ihre Ergebnisse haben sie im Fachjournal Nature Nanotechnology ver?ffentlicht. Unterst¨¹tzt wurde die Arbeit vom Nationalen Forschungsschwerpunkt QSIT (Quantum Science and Technology).

Graphen mit magischem Winkel

Das Material, das Ensslin und seine Mitarbeiter verwenden, tr?gt den etwas sperrigen Namen ?Magic Angle Twisted Bilayer Graphene?. Dahinter verbirgt sich im Prinzip etwas sehr Simples und Bekanntes, n?mlich Kohlenstoff ¨C allerdings in einer besonderen Form und mit einem speziellen Dreh. Die Ausgangsbasis sind Graphenscheibchen, also nur ein Atom dicke Kohlenstoffschichten. Zwei solche Schichten legen die Forscher ¨¹bereinander, und zwar so, dass ihre Kristallachsen nicht parallel zueinander sind, sondern einen ?Zauberwinkel? von exakt 1,06 Grad einschliessen. ?Das ist sehr knifflig, und man muss dabei auch die Temperatur der Scheibchen bei der Herstellung genau kontrollieren. H?ufig geht es deshalb schief?, erkl?rt Peter Rickhaus, der als Postdoktorand an den Experimenten beteiligt war.

Bei zwanzig Prozent der Versuche klappt es aber, und die atomaren Kristallgitter der Graphenscheibchen bilden dann ein so genanntes Moir¨¦-Muster, in dem die Elektronen des Materials sich anders verhalten als in gew?hnlichem Graphen. Moir¨¦-Muster kennt man etwa aus dem Fernsehen, wo durch das Zusammenspiel eines gemusterten Kleidungsst¨¹cks und den Rasterzeilen des Fernsehbildes interessante optische Effekte entstehen k?nnen. ?ber den Zauberwinkel-Graphenscheibchen bringen die Forscher zus?tzlich mehrere etwa hundert Nanometer grosse Elektroden auf, durch die sie eine elektrische Spannung an das Material anlegen k?nnen. K¨¹hlen sie das Ganze dann auf wenige Hundertstel Grad ¨¹ber dem absoluten Nullpunkt ab, so passiert Erstaunliches: Je nach angelegter Spannung verhalten sich die Graphenscheibchen entweder wie ein Supraleiter oder wie ein Isolator ¨C also komplett gegens?tzlich. Diese schaltbare Supraleitung wurde bereits 2018 am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA gezeigt. Auch heute k?nnen nur wenige Gruppen weltweit solche Proben herstellen

Isolator und Supraleiter im selben Material

M?glicher Einsatz in Quantentechnologien

Den ETH-Forschern gelang es, den Josephson-Kontakt in den im magischen Winkel verdrehten Graphenschichten mit Hilfe verschiedener Spannungen an drei Elektroden herzustellen und dessen Eigenschaften zu messen. ?Nachdem auch das geklappt hat, k?nnen wir uns jetzt an komplizierteren Bauelementen versuchen, etwa an SQUIDs?, sagt de Vries. In SQUIDs (?superconducting quantum interference device?) werden zwei Josephson-Kontakte zu einem Ring verbunden. Technisch kommen sie bei der Messung kleinster Magnetfelder, aber auch in modernen Technologien wie Quantencomputern zum Einsatz. F¨¹r m?gliche Anwendungen in Quantencomputern ist zudem interessant, dass sich die Graphenscheibchen mit Hilfe der Elektroden nicht nur in Isolatoren und Supraleiter, sondern auch in Magneten oder so genannte topologische Isolatoren verwandeln lassen, in denen Strom nur in eine Richtung ¨¹ber den Rand des Materials fliessen kann. Damit k?nnten dann verschiedene Arten von Quanten-Bits (Qubits) in einem einzigen Bauteil realisiert werden.

Eine Klaviatur f¨¹r Materialien

?Das ist allerdings noch Spekulation?, sagt Ensslin. Er zeigt sich aber begeistert von den M?glichkeiten, die sich jetzt schon durch die elektrische Steuerung ergeben: ?Wir k?nnen praktisch mit den Elektroden auf dem Graphen Klavier spielen.? Die Physiker versprechen sich davon unter anderem neue Erkenntnisse dar¨¹ber, wie die Supraleitf?higkeit im Zauberwinkel-Graphen im Detail zustande kommt.