Graphen zeigt überraschende Formen von Supraleitung
Das hauchdünne Material Graphen kann überraschenderweise mehrere supraleitende Zustände einnehmen. Das zeigen Forschende der Universität Basel mit Kolleginnen und Kollegen des Massachusetts Institute of Technology. Einige dieser Zustände werden durch Magnetfelder sogar stabilisiert, und nicht wie sonst zerstört.
29. Juni 2026
Graphen gilt als eines der einfachsten und zugleich faszinierendsten Materialien der Physik: Es besteht aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen. Stapelt man mehrere solcher Lagen in einer bestimmten natürlichen Anordnung, kann daraus ein Material mit aussergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften entstehen.
Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung der Universität Basel hat nun in einer bestimmten Form von Graphen, rhomboedrisch genannt, mehrere Formen von Supraleitung beobachtet. Bei Supraleitung fliesst elektrischer Strom ohne Widerstand durch ein Material. Normalerweise tritt dieser Zustand nur unter sehr tiefen Temperaturen auf und Magnetfelder können ihn rasch zerstören.
Stabiler durch Magnetfelder
Genau hier zeigte sich in den Experimenten das Überraschende: Die neu beobachteten supraleitenden Zustände blieben selbst in vergleichsweise starken Magnetfeldern bestehen. In bestimmten Fällen wurde die Supraleitung durch ein Magnetfeld sogar stabiler.
Das widerspricht dem Verhalten klassischer Supraleiter, bei denen Magnetfelder die Elektronenpaare aufbrechen, die für den widerstandslosen Stromfluss verantwortlich sind.
Die untersuchten Proben bestanden aus vier oder fünf atomar dünnen Graphenschichten. Diese Schichten sind nicht künstlich verdreht, wie bei anderen Graphen-Experimenten, sondern folgen einer natürlichen stapelartigen Struktur in einem hochreinen Kristall. Die Forschenden konnten die elektronischen Eigenschaften gezielt verändern, indem sie die Zahl der Elektronen sowie das elektrische Feld im Material über angelegte Spannungen steuerten.
Anspruchsvolle Messbedingungen
Eine wichtige Rolle spielte dabei die Gruppe von Prof. Dr. Dominik Zumbühl am Departement Physik der Universität Basel. Sie trug dazu bei, die Messungen unter besonders anspruchsvollen Bedingungen zu ermöglichen: bei extrem tiefen Temperaturen, sehr kleinen elektrischen Signalen und kontrollierten Magnetfeldern in unterschiedlichen Richtungen. Solche Messungen sind entscheidend, um die empfindlichen supraleitenden Zustände überhaupt sichtbar zu machen und voneinander zu unterscheiden.
Dabei stiessen die Forschenden auf supraleitende Zustände, die sich mit bisherigen Modellen nicht einfach erklären lassen. «Diese höchst ungewöhnlichen Supraleiter entziehen sich bislang einem theoretischen Verständnis, was ihre Erforschung besonders faszinierend und spannend macht», sagt Armel Cotten, einer der Erstautoren der Studie und Doktorand in der Gruppe von Dominik Zumbühl.
Besonders deutlich zeigte sich das in den Magnetfeld-Messungen. «Diese Supraleiter in rhomboedrischem Graphen sind wirklich beeindruckend: Sie halten den stärksten Magnetfeldern stand, die wir im Labor erzeugen konnten, und können dabei in einigen Fällen sogar selbst noch stärker werden», fügt Dominik Zumbühl hinzu.
Eine ganze Familie ungewöhnlicher supraleitender Zustände
Noch ist unklar, welche mikroskopischen Mechanismen dahinterstehen. Eine mögliche Erklärung ist, dass sich die Elektronen in diesen Zuständen anders paaren als in klassischen Supraleitern – etwa mit gleich ausgerichteten Spins. Dadurch könnten sie gegenüber Magnetfeldern weniger empfindlich sein.
Damit zeigt die Studie, dass selbst ein scheinbar einfaches Material wie Kohlenstoff eine ganze Familie ungewohnter supraleitender Zustände hervorbringen kann. Die Entdeckung liefert ein neues Modellsystem, um unkonventionelle Supraleitung besser zu verstehen. Solche Materialien interessieren die Forschung unter anderem, weil sie langfristig neue Wege zu verlustfreiem Stromtransport, neuartigen elektronischen Bauteilen oder topologischen Quantenzuständen eröffnen könnten.
Dieser Text beruht auf einer Medienmitteilung des MIT.
Originalpublikation
Junseok Seo, Armel Cotten, Shenyong Ye, et al.
Family of magnetic field-boosted superconductors in rhombohedral graphene
Nature (2026), doi: 10.1038/s41586-026-10815-x
