Ein gemeinsames Team von Wissenschaftlern der Cornell University in den USA, des japanischen National Institute for Materials Science und des deutschen Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie hat ungewöhnliche Quantenzustände innerhalb von sechsschichtigem Graphen entdeckt. Während Graphen für seine wabenförmige Kohlenstoffstruktur und sein technologisches Potenzial bekannt ist, können das Stapeln mehrerer Schichten zu unterschiedlichen Eigenschaften führen. Die Forscher konzentrierten sich auf rhomboedrisches hexaschichtiges Graphen, eine Konfiguration, bei der sechs Schichten in einem sich wiederholenden Muster seitlich verschoben sind.
Die Entdeckung war gewissermaßen zufällig. Der leitende Autor Xiaomeng Liu erklärte, dass das Team ursprünglich beabsichtigt hatte, verdrehtes rhomboedrisches Graphen zu untersuchen, um isolierte topologische Bänder zu erzeugen. In einem Gerät jedoch, das durch das Stapeln zweier dreischichtiger Blätter konstruiert wurde, entspannten sich die Schichten in eine Ausrichtung und bildeten versehentlich die sechsschichtige rhomboedrische Struktur. Erste Messungen an diesem Material deuteten auf Verhaltensweisen hin, die in Studien zu fünfschichtigem Graphen zuvor nicht berichtet worden waren, was eine tiefere Erforschung seines Phasendiagramms veranlasste.
Um diese Eigenschaften zu untersuchen, bereitete das Team Flocken mit dem spezifischen sechsschichtigen Stapelmuster vor und sandwichte sie zwischen isolierenden Schichten aus hexagonalem Bornitrid mit Graphit-basierten Gates. Sie führten umfangreiche Messungen durch, indem sie Temperatur, Magnetfelder, die Anzahl der Ladungsträger und die Intensität elektrischer Felder variierten. Diese Tests zeigten ein verschwindender elektrischer Widerstand, der auf Supraleitung hindeutet, sowie eine anomale Hall-Antwort, die einen durch Elektronenbewegung getriebenen Orbitalmagnetismus nahelegt. Zusätzlich ermöglichten Quantenoszillationen dem Team, die Fermi-Oberfläche zu rekonstruieren und die vorhandenen Arten von Ladungsträgern zu identifizieren.
Die Studie identifizierte mehrere elektronische Zustände, darunter durch Wechselwirkungen getriebene isolierende Zustände, Bereiche mit supraleitendem Verhalten und zwei verschiedene Arten von Orbitalmagnetismus. Besonders hervorzuheben ist, dass zwei supraleitungsähnliche Zustände spezifisch unter Bedingungen auftraten, unter denen Elektronen- und Loch-Ladungsträger koexistierten. Liu erklärte, dass Wechselwirkungen zwischen diesen beiden Trägerarten eine zentrale Rolle bei der Bildung dieser ungewöhnlichen Zustände zu spielen scheinen. Die Hauptergebnisse umfassen die Entdeckung eines neuen supraleitenden Zustands und eines neuen multiferroischen Orbitalmagneten innerhalb dieses stark korrelierten semimetallischen Regimes.
Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von sechsschichtigem Graphen für die Untersuchung von Supraleitung und magnetischem Verhalten, das durch Elektronenwechselwirkungen angetrieben wird. Die Forscher untersuchen nun weiter die mikroskopischen Ursprünge des beobachteten multiferroischen orbitalmagnetischen Zustands. Liu merkte an, dass laufende Arbeiten die Möglichkeit aufwerfen, dass einige Träger einen Elektronenkristall bilden, während andere in einem leitenden, flüssigkeitsähnlichen Zustand verbleiben. Die Frage, ob dieser Kristall Orbitalmagnetismus erzeugt oder einen topologischen Elektronenfestkörper realisiert, bleibt eine offene Frage für zukünftige Forschungen.
Quellen: Phys.org.