Kommentar Wissenschaft in Zeiten der Fake News

Graphens hexagonale Honigwabenstruktur.
Graphens hexagonale Honigwabenstruktur.

Die Verkündung der supraleitenden Eigenschaften von Einschicht-Graphen über diverse Twitterkanäle motiviert eindringlicheres Literaturstudium.

Seit letztem Donnerstag werden erneut Kurznachrichten zum Graphen-Thema, anlässlich des experimentellen Nachweises seiner supraleitenden Eigenschaften [1], gestreut.

Graphen ist ein aufregendes Thema, schon alleine da dessen Existenz scheinbar ein grundlegendes physikalischen Prinzip, das Mermin-Wagner-Hohenberg-Theorem, verletzt: In niedrigen räumlichen Dimensionen d<=2 gibt es keine langreichweitige Ordnung, thermische, quantenmechanische Fluktationen wie Verunreinigungen, wirken unendlich stark.

In scheinbarer Konsequenz sollte es nicht möglich sein, eine unendlich dünne Kristallschicht zu erzeugen und theoretisch wäre der Elektronentransport durch eine solche Schicht in Gegenwart beliebig schwacher Verunreinigungen, unmöglich.
Letzteres nennen Physiker die Schwache Lokalisierung: Rechnerisch beträgt die Wahrscheinlichkeit dafür, in niedrigen Dimensionen über eine Verunreinigung zum Ausgangsort zurückzukehren, immer 100 Prozent.

Dass Einschicht-Graphen (SLG) nun doch existiert liegt vor allem an seiner ungewöhnlichen hexagonalen Honigwabenstruktur und dem Bruch der kontinuierlichen Symmetrievoraussetzung des MWHT mit der endlichen Strukturgröße: Niedrig-dimensionale Physik spielt immer auf dem Rand einer endlichen Struktur, deren Fertigungsgröße in der Kohärenzlänge, also der durch die Streuprozesse definierten Streulänge, liegt. Zum anderen beruht das MWHT in der Lokalisierung auf Streuprozessen von "Vorwärts-" mit "Rückwärtsläufern" über die Verunreinigung. Und eben diese werden durch die spezielle Honigwabenstruktur einer Graphenschicht unterdrückt, die vor- und rückwärts laufenden quantenmechanischen De-Broglie-Wellen unterscheiden sich wegen der Honigwabenstruktur um einen Phasenfaktor π.

Bei Zweischicht-Graphen beträgt dieser Phasenfaktor wiederum 2π, was gegen eine Leitfähigkeit dieses Materials spricht. Letztendlich hängt dieser Phasenfaktor dann doch von den Eigenheiten der Graphenprobe ab [2], mit zunehmender Abweichung vom idealen Graphen zeigt diese wieder das gewöhnliche Lokalisierungs-Verhalten.

Gerade dies macht die Diskussion so spannend. Graphen ist ein Kandidat, um die Halbleiterelektronik nach dem Moorschen Paradigma auf sehr kleinen Längenskalen fortzuführen. Dazu werden hochpräzise Fertigungsprozesse und Analysemethoden notwendig, welche die Eigenheiten der Graphenprobe mit einbeziehen.

In der Nature-Publikation wird nicht, wie viele Twitterkanäle suggerieren [3,4,5,6], die Supraleitung im Einschicht-Graphen bewiesen. Untersucht wurden die supraleitenden Eigenschaften einer einzelnen Graphenschicht auf supraleitendem PCCO-Substrat. Von theoretischer Seite lohnt es sich hier genauer hinzublicken. Elektrische Felder oder Ladungsträger dringen immer in Isolationschichten ein. Das supraleitende PCCO-Feld wäre vermutlich in jeder monoatomaren Schicht messbar. Die Nature-Publikation vergleicht deshalb die Effekte in PCCP-SLG und PCCP-Au: Im PCCP-SLG fällt der Effekt wesentlich stärker aus. Das Experiment wird in der Theorie ebenso mit einem effektiven SLG-Modell verglichen, in dem der Supraleitungs-Ordnungsparamter eine externe Größe ist (nämlich der SL-Ordnungsparameter des Substrats).

Das Modell weiß nichts über Unordnung oder Fertigungsungenauigkeiten im SLG.  Noch interessanter wäre nun die Betrachtung von PCCP-BLG, das im Gegensatz zur SLG ja ein Nichtleiter wäre. Die Diskussion hat also nichts mit der, gewöhnlicher Grenzflächenphysik, gemein.

Und weil sich professionelle Forscher dieser Subtilitäten bewusst sind, schreiben sie nicht wie ihre Pressekollegen, von  "Graphens Supraleitung" [3,4,5,6], sondern nennen ihre Arbeit:
"p-wave triggered superconductivity in single-layer graphene on an electron-doped oxide superconductor".
Nicht sehr konstruktiv ist es aber, im Kontext solch mesoskopischer Physik, supraleitend mit widerstandslos [7] gleichzusetzen. Unterhalb der Sprungtemperatur besitzen Supraleiter, gerade durch Abweichungen von der idealen Probe, geringe Widerstände [8].  
Weiterhin stellt sich die Frage, ob die schwache Lokalisierung auch für Ladungsträger im supraleitenden Zustand gilt. Eine Arbeit, die sich damit Frage beschäftigt, ist durch Schlagwortsuche nicht auffindbar. Nach der gängigen mikroskopischen Erklärung der Supraleitung, können Cooperpaare nicht beliebig verlangsamt werden, die Wechselwirkung mit den kollektiven Polaronmoden hält sie auf Mindestgeschwindkeit. Solche kollektiven Moden sind weniger anfällig für Fertigungsungenauigkeiten, wie man an der Existenz von Schallwellen in Gläsern, leicht einsieht.

Die reißerischen Titel der Pressebüros haben letztendlich auch ihr Gutes: Sie motivieren den Leser zum genaueren Quellenstudium. Ohne den schnellen Twitter-Input, wären ihm die drei sehr schönen Arbeiten [1,2,8], vermutlich auch verborgen geblieben.  

[1] http://www.nature.com/articles/ncomms14024

[2] http://arxiv.org/pdf/0903.1848.pdf

[3] http://twitter.com/lifeboathq/status/823085579785175040

[4] http://twitter.com/TrendsFM/status/822877623986614272

[5] http://twitter.com/ScienceDaily/status/822193773845172224

[6] http://twitter.com/digikey/status/822560622651043840
[7] http://futurism.com/scientists-made-graphene-carry-an-electrical-current-with-zero-resistance/
[8] http://arxiv.org/pdf/1005.3347v1.pdf