In manchen Materialien bilden sich unter dem Einfluss von Magnetfeldern besondere Quasiteilchen, die nur einen Bruchteil der Elementarladung tragen. Wie ein Team um den Quantenphysiker Long Ju vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge nun gezeigt hat, funktioniert das bei Graphen sogar ohne Magnetfeld. Indem sie das zweidimensionale Material auf besondere Weise stapelten, riefen die Forscher hier erstmals eine anomale Spielart eines ohnehin exotischen Quantenphänomens hervor.

Beim so genannten fraktionalen Quanten-Hall-Effekt, für dessen Entdeckung 1998 der Physik-Nobelpreis verliehen wurde, entsteht eine Art Quantenflüssigkeit. Dabei vereinen sich die Elektronen des Materials mit Bestandteilen des Magnetfelds. Wie verschiedene Forschungsgruppen im Jahr 2023 herausgefunden haben, kann eine anomale Variante des Effekts in geschickt angeordneten zweidimensionalen Materialien zwar auch ohne Magnetfeld auftreten; Graphen schien dafür allerdings nicht geeignet. Der fraktionale Quanten-Hall-Effekt wurde hier 2009 bei starken Magnetfeldern nachgewiesen und 2021 bei schwachen, aber ganz ohne ging es nicht.

Dass es doch möglich sein könnte, den Effekt in Graphen hervorzurufen, fand Long Jus Team zunächst bei theoretischen Untersuchungen heraus. Die Berechnungen zeigten eine Besonderheit bei Graphen, das in fünf Schichten stufenweise gestapelt und zwischen zwei Lagen aus Bornitrid eingeklemmt wird. Hexagonales Bornitrid sieht ähnlich aus wie Graphen, hat allerdings andere Größenverhältnisse und sorgt deswegen beim Übereinanderlegen für ein »Moiré«-Muster aus hellen und dunklen Flecken. Dem Modell zufolge würde genau dieses Raster die Elektronen innerhalb des Graphens auf eine Weise beeinflussen, die der Wirkung eines Magnetfelds gleichkäme.

Schließlich probierten die Forscher ihr Rezept aus. Sie stellten das Graphen-Bornitrid-Sandwich her und platzierten es im Kühlschrank ihres Labors, der freilich kein alltäglicher war: Er brachte die Probe auf extrem tiefe Temperaturen. Dabei wurden die Elektronen stark verlangsamt – genug, um Wechselwirkungen untereinander und mit dem Graphengitter auszubilden. Und tatsächlich zeigten Messungen des elektrischen Stroms einen anomalen fraktionalen Quanten-Hall-Effekt, ohne äußeres Feld!

Graphen ist bereits für außergewöhnliche Quantenphänomene bekannt. So können gegeneinander verdrehte Schichten Strom verlustfrei leiten. Der neu entdeckte Effekt wird dabei helfen, solche elektronischen Eigenschaften besser zu verstehen. Schon seit einer Vorabveröffentlichung von Long Ju zu den Experimenten streitet die Fachgemeinde über die möglichen mikroskopischen Ursachen. Perspektivisch hoffen die Forscher, dass es für Anwendungen einfacher wird, in Bauteilen die verschiedenen elektronischen Quanteneffekte miteinander zu verschalten, wenn sie auf ein und demselben Material basieren – wie bei Graphen die Supraleitung und die fraktionierten Ladungen.