Supraleiter in atomar dünnen Schichten

Nur eine einzige Atomlage dünne Schichten können ganz andere Eigenschaften haben als ein Festkörper aus dem gleichen Material. Ein Beispiel dafür ist Kohlenstoff, dessen elektrische Leitfähigkeit in extrem dünnen Graphenschichten deutlich ansteigt. Mit Molybdändisulfid, das oft als Schmiermittel genutzt wird, untersuchten nun Wissenschaftler ein weiteres Material auf signifikante Veränderungen mit abnehmender Dicke – und wurden fündig. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, leitete Molybdändisulfid bei tiefen Temperaturen elektrischen Strom ohne Widerstand. Doch zu ihrer Überraschung lag die Sprungtemperatur in diesen supraleitenden Zustand bei einlagigen Schichten niedriger als bei dickeren Proben.

Transistoraufnahme durch ein Mikroskop, auf der die Schaltungen zu sehen sind.
Dünner, supraleitender Transistor

„Nun ist es möglich, extrem dünne, zweidimensionale Kristalle herzustellen und ihre elektronischen Eigenschaften zu manipulieren“, sagt Alberto Morpurgo von der Université de Genève in der Schweiz. Zusammen mit seinen Kollegen schälte er ein- und mehrlagige Schichten aus Molybdändisulfid von einem größeren Materialblock ab. An diese Proben hefteten die Wissenschaftler Elektroden und erhielten einen transistorähnlichen Aufbau. Floss nun ein elektrischer Strom durch eine Elektrode, wandelten sich die Molybdändisulfid-Schichten von einem Isolator in einen elektrischen Leiter. Tiefgekühlt auf unter -265 Grad ging das unter Spannung gesetzte Material sogar in den supraleitenden Zustand über.

Für Festkörper und dickere Schichten aus Molybdändisulfid lag die Sprungtemperatur bei -261 bis -265 Grad. Eine Monolage aus dem gleichen Material musste dagegen noch tiefer, und zwar bis auf -271 Grad, gekühlt werden, um elektrischen Strom ohne Widerstand leiten zu können. Die Ursache für diesen Unterschied könnte in der stärkeren gegenseitigen Abstoßung der negativ geladenen Elektronen in der einlagigen Schicht liegen, so die Wissenschaftler.

„Mit dieser induzierten Supraleitung zeigt Molybdändisulfid, dass eine neue Ära der elektronischen Materialen begonnen hat“, sagt Morpurgo. So könnten nun Module mit einer elektrisch schaltbaren Supraleitung entwickelt werden. Auch neuartige Transistoren auf der Basis dieses Effekts sind vorstellbar. Der Unterschied in der Sprungtemperatur zwischen einer Monolage und dickeren Schichten könnte dabei für zusätzliche Schaltvarianten genutzt werden.