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Dotiertes Graphan sollte bei 90K . supraleitend sein
Es gibt ein Problem mit Hochtemperatur-Supraleitern. Seit der Entdeckung, dass bestimmte Kupferoxide bei Temperaturen über 30 K supraleiten können, sind nun mehr als zwei Jahrzehnte vergangen.
Diese Jahre waren voller Verheißungen, Übertreibungen und fieberhafter Forschung. Physiker wissen, dass Kupferoxide ganz anders supraleitend sind als konventionelle BCS-Supraleiter (nach Bardeen, Cooper und Schrieffer, die die Theorie dahinter ausgearbeitet haben). Und doch ist sich niemand darüber einig, was der neue Mechanismus genau ist. Auch hat niemand einen Supraleiter geschaffen, der bei einer nutzbaren Temperatur arbeitet, also über der Temperatur von flüssigem Stickstoff.
Sogar die im letzten Jahr wieder aufgeflammte Aufregung über die Entdeckung, dass Magnesiumdiborid-Supraleiter bei hohen Temperaturen, wahrscheinlich auf die altmodische BCS-Art, geschaltet wurden, wich bald einer Unbehagen, da die Physiker feststellten, dass sie nicht in der Lage waren, auf dem Durchbruch zur Herstellung besserer Supraleiter aufzubauen. Es ist verlockend zu glauben, dass Supraleiter die Flüssigstickstoffbarriere niemals überwinden werden.
Aber heute wird die Hoffnung dank einer faszinierenden Reihe von Berechnungen wiederhergestellt, die Gianluca Savini von der University of Cambridge in Großbritannien und ein paar Kumpels durchgeführt hat. Sie berechnen die Eigenschaften von p-dotiertem Graphan nach ersten Prinzipien und sagen, dass es bei milden 90K oder mehr supraleitend sein sollte, gut im Bereich der Kühlung mit flüssigem Stickstoff.
Außerdem sollte p-dotiertes Graphan genauso supraleitend sein wie die altmodischen BCS-Supraleiter. Das ist merkwürdig, denn jeder glaubt, dass BCS-Supraleitung bei hohen Temperaturen nicht funktionieren kann.
Der Grund ist die Energie der Wechselwirkung zwischen den supraleitenden Elektronen und dem umgebenden Material. In gewöhnlichen BCS-Supraleitern wird davon ausgegangen, dass dies nur einige zehn meV beträgt. In den Kupferoxiden haben diese Wechselwirkungen jedoch eine Energie von einigen hundert meVs. Dieser Unterschied lässt Physiker glauben, dass BCS-Supraleiter bei der Temperatur von Kupferoxiden niemals funktionieren werden.
Und doch stellt die Entdeckung, dass Magnesiumdiborid supraleitend ist, in Frage, dass die Denkenergie dieser Wechselwirkungen in MgB2 viel höher ist. Drei Faktoren scheinen zusammenzutreffen, um es möglich zu machen, sagen Savini und Co. Die erste ist die charakteristische Energie der Phononen in MgB2, die auf die Dehnung der Bindung zurückzuführen ist und eine wichtige Rolle dabei spielt, Supraleitern durch die Struktur zu helfen. Zweitens ist die Elektronendichte der Zustände im Material zu nennen und schließlich weisen sie auf das Gleichgewicht zwischen der anziehenden Elektron-Phonon-Kopplung und der abstoßenden Elektron-Elektron-Wechselwirkung in MgB2 hin.
Könnte es sein, Materialien zu finden, in denen diese Mengen weiter manipuliert werden können? Darauf kannst du wetten. Savini und Co. stellten fest, dass p-dotierter Diamant zwei dieser Eigenschaften aufweist, aber nur bei 4K supraleitend ist.
Sie berechnen jedoch, dass p-dotiertes Graphan genau das Richtige ist und bei 90 K auf die altmodische BCS-Art supraleitend sein sollte. Darüber hinaus gibt es Hinweise darauf, dass p-dotierte Diamant-Nanodrähte ähnliche Eigenschaften haben könnten.
Verschiedene Gruppen spielen bereits mit dotierten Diamant-Nanodrähten.
Die Auswirkungen all dessen sind erstaunlich. An erster Stelle steht die Möglichkeit nützlicher supraleitender Geräte, die nur mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Zu guter Letzt!
Aber es gibt noch eine andere, exotischere Implikation: Durch die Herstellung von Transistor-ähnlichen Gates aus unterschiedlich dotiertem Graphan sollte es möglich sein, Bauelemente zu schaffen, bei denen die Supraleitung ein- und ausgeschaltet werden kann. Das wird eine völlig neue Schalterklasse ermöglichen.
Zuvor muss jedoch jemand p-dotiertes Graphan herstellen. Das wird schwer. Graphane selbst wurde erst letztes Jahr zum ersten Mal an der University of Manchester hergestellt. Es sollte unterhaltsam sein, das Rennen zu verfolgen, um eine p-dotierte Version herzustellen und zu testen.
Ref: arxiv.org/abs/1002.0653 : Dotiertes Graphan: ein Prototyp eines Hoch-Tc-Elektronen-Phonon-Supraleiters