Physiker eröffnen neuen Weg zu einer exotischen Form der Supraleitung

Physiker haben einen Mechanismus für die Bildung oszillierender Supraleitung identifiziert, die als Paardichtewellen bekannt ist. Briefe zur körperlichen Untersuchung veröffentlichte die Entdeckung, die neue Einblicke in einen unkonventionellen Hochtemperatur-Supraleitungszustand liefert, der in bestimmten Materialien, einschließlich Hochtemperatur-Supraleitern, beobachtet wird.

„Wir haben entdeckt, dass Strukturen, die als Van-Hove-Singularitäten bekannt sind, modulierende, oszillierende Zustände der Supraleitung erzeugen können“, sagt Luiz Santos, Assistenzprofessor für Physik an der Emory University und leitender Autor der Studie. „Unsere Arbeit liefert einen neuen theoretischen Rahmen zum Verständnis der Entstehung dieses Verhaltens, eines Phänomens, das noch nicht gut verstanden ist.“

Das Rätsel der Supraleitung

Santos ist ein Theoretiker, der sich auf die Physik der kondensierten Materie spezialisiert hat. Er untersucht die Wechselwirkungen von Quantenmaterialien – winzigen Dingen wie Atomen, Photonen und Elektronen –, die sich nicht nach den Gesetzen der klassischen Physik verhalten.

Supraleitung oder die Fähigkeit bestimmter Materialien, Elektrizität ohne Energieverlust zu leiten, wenn sie auf eine extrem niedrige Temperatur abgekühlt werden, ist ein Beispiel für faszinierendes Quantenverhalten. Das Phänomen wurde 1911 entdeckt, als die niederländische Physikerin Heike Kamerlingh Onnes zeigte, dass Quecksilber seinen elektrischen Widerstand verliert, wenn es auf 4 Kelvin oder minus 371 Grad Fahrenheit abgekühlt wird. Das entspricht etwa der Temperatur von Uranus, dem kältesten Planeten im Sonnensystem.

Es dauerte bis 1957, bis Wissenschaftler eine Erklärung dafür fanden, wie und warum Supraleitung entsteht. Bei normalen Temperaturen bewegen sich Elektronen mehr oder weniger unabhängig. Sie stoßen auf andere Teilchen, wodurch diese ihre Geschwindigkeit und Richtung ändern und Energie verbrauchen. Bei niedrigen Temperaturen können sich Elektronen jedoch in einem neuen Materiezustand organisieren.

„Sie bilden Paare, die zu einem kollektiven Zustand verbunden sind, der sich wie eine Einheit verhält“, erklärt Santos. „Man kann sie sich wie Soldaten in einer Armee vorstellen. Wenn sie sich isoliert bewegen, sind sie leichter abzuwehren. Aber wenn sie gemeinsam im Gleichschritt marschieren, ist es viel schwieriger, sie zu destabilisieren. Dieser kollektive Zustand trägt die Strömung auf robuste Weise.“

Ein heiliger Gral der Physik

Supraleitung birgt großes Potenzial. Theoretisch könnte es ermöglichen, dass elektrischer Strom durch Drähte fließt, ohne diese zu erhitzen oder Energie zu verlieren. Diese Drähte könnten dann weitaus mehr Strom und weitaus effizienter transportieren.

„Einer der heiligen Grale der Physik ist die Supraleitung bei Raumtemperatur, die für alltägliche Anwendungen praktisch genug ist“, sagt Santos. „Dieser Durchbruch könnte die Form der Zivilisation verändern.“

Viele Physiker und Ingenieure arbeiten an vorderster Front daran, die Art und Weise der Stromübertragung zu revolutionieren.

Mittlerweile hat die Supraleitung bereits Anwendung gefunden. Supraleitende Spulen versorgen Elektromagnete mit Strom, die in Magnetresonanztomographen (MRT) für die medizinische Diagnostik eingesetzt werden. Mittlerweile gibt es weltweit eine Handvoll Magnetschwebebahnen, die auf supraleitenden Magneten basieren, die zehnmal stärker sind als gewöhnliche Elektromagnete. Die Magnete stoßen sich gegenseitig ab, wenn die passenden Pole einander zugewandt sind, und erzeugen so ein Magnetfeld, das einen Zug schweben und antreiben kann.

Der Large Hadron Collider, ein Teilchenbeschleuniger, mit dem Wissenschaftler die grundlegende Struktur des Universums erforschen, ist ein weiteres Beispiel für Technologie, die auf Supraleitung basiert.

Supraleitung wird weiterhin in immer mehr Materialien entdeckt, darunter auch in vielen, die bei höheren Temperaturen supraleitend sind.

Eine zufällige Entdeckung

Ein Schwerpunkt von Santos‘ Forschung ist die Frage, wie Wechselwirkungen zwischen Elektronen zu Formen der Supraleitung führen können, die mit der Beschreibung der Supraleitung von 1957 nicht erklärt werden können. Ein Beispiel für dieses sogenannte exotische Phänomen ist die oszillierende Supraleitung, bei der die gepaarten Elektronen in Wellen tanzen und dabei die Amplitude ändern.

In einem unabhängigen Projekt bat Santos Castro, spezifische Eigenschaften von Van-Hove-Singularitäten zu untersuchen, Strukturen, in denen viele elektronische Zustände energetisch nahe beieinander liegen. Castros Projekt zeigte, dass die Singularitäten anscheinend über die richtige Physik verfügen, um oszillierende Supraleitung zu erzeugen.

Das veranlasste Santos und seine Mitarbeiter, tiefer einzutauchen. Sie entdeckten einen Mechanismus, der es ermöglichen würde, dass diese tanzenden Wellenzustände der Supraleitung aus Van-Hove-Singularitäten entstehen.

„Als theoretische Physiker wollen wir in der Lage sein, Verhalten vorherzusagen und zu klassifizieren, um zu verstehen, wie die Natur funktioniert“, sagt Santos. „Dann können wir anfangen, technologierelevante Fragen zu stellen.“

Einige Hochtemperatur-Supraleiter, die bei Temperaturen funktionieren, die etwa dreimal so kalt sind wie die eines Haushalts-Gefrierschranks, weisen dieses Tanzwellenverhalten auf. Die Entdeckung, wie dieses Verhalten aus Van-Hove-Singularitäten hervorgehen kann, bietet Experimentatoren eine Grundlage für die Erforschung des Bereichs der Möglichkeiten, die es bietet.

„Ich bezweifle, dass Kamerlingh Onnes an Levitation oder Teilchenbeschleuniger gedacht hat, als er die Supraleitung entdeckte“, sagt Santos. „Aber alles, was wir über die Welt lernen, hat potenzielle Anwendungsmöglichkeiten.“