Cooper-Paare zeigen wellenförmige Verteilung in Kagome-Metallen

Eine von einem Würzburger Physikerteam vorgeschlagene Theorie der Supraleitung wurde in einem internationalen Experiment bestätigt. Es zeigte sich, dass Cooper-Paare in Kagome-Metallen eine wellenförmige Verteilung aufweisen. Die Entdeckung ermöglicht neue technologische Anwendungen wie supraleitende Dioden.

Seit rund 15 Jahren faszinieren Kagome-Materialien mit ihrer sternförmigen Struktur, die an ein japanisches Korbflechtmuster erinnert, Forscher aus aller Welt. Erst seit 2018 ist es Wissenschaftlern gelungen, metallische Verbindungen mit dieser Struktur im Labor zu synthetisieren.

Dank ihrer einzigartigen Kristallgeometrie vereinen Kagome-Metalle besondere elektronische, magnetische und supraleitende Eigenschaften und sind daher vielversprechend für zukünftige Quantentechnologien.

Professor Ronny Thomale vom Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien und Lehrstuhl für Theoretische Physik der Universität Würzburg (JMU) lieferte mit seinen frühen theoretischen Vorhersagen entscheidende Erkenntnisse zu dieser Materialklasse.

Aktuelle Erkenntnisse veröffentlicht In Natur legen nahe, dass diese Materialien zu neuartigen elektronischen Komponenten wie supraleitenden Dioden führen könnten.

Kagome-Supraleiter erschüttert die Wissenschaft

In einem Papier auf dem Preprint-Server veröffentlicht arXiv Am 16. Februar 2023 schlug das Team von Professor Thomale vor, dass sich in Kagome-Metallen eine einzigartige Art von Supraleitung manifestieren könnte, bei der sich Cooper-Paare wellenförmig innerhalb der Untergitter verteilen. Jeder „Sternpunkt“ enthält eine unterschiedliche Anzahl von Cooper-Paaren. Dieses Papier wurde nun veröffentlicht In Körperliche Überprüfung B.

Thomales Theorie konnte nun erstmals in einem internationalen Experiment direkt bestätigt werden und sorgte damit weltweit für Aufsehen. Damit wurde die bisherige Annahme widerlegt, dass in Kagome-Metallen nur gleichmäßig verteilte Cooper-Paare vorkommen könnten.

Cooper-Paare – benannt nach dem Physiker Leon Cooper – werden bei sehr niedrigen Temperaturen durch Elektronenpaare gebildet und sind für die Supraleitung unerlässlich. Gemeinsam können sie einen Quantenzustand erzeugen und sich auch ohne Widerstand durch einen Kagome-Supraleiter bewegen.

„Unsere Forschungen zu Kagome-Metallen wie Kalium-Vanadium-Antimon (KV3Sb5) konzentrierten sich zunächst auf die Quanteneffekte einzelner Elektronen, die zwar nicht supraleitend sind, im Material aber ein wellenartiges Verhalten aufweisen können“, erklärt Thomale.

„Nachdem wir vor zwei Jahren unsere anfängliche Theorie zum Verhalten von Elektronen mit der Detektion von Ladungsdichtewellen experimentell bestätigen konnten, versuchten wir, weitere Quantenphänomene bei ultratiefen Temperaturen zu finden. Dies führte zur Entdeckung des Kagome-Supraleiters. Die globale physikalische Forschung zu Kagome-Materialien steckt jedoch noch in den Kinderschuhen“, bemerkt Thomale.

Übertragung der Wellenbewegung

„Die Quantenphysik kennt das Phänomen der Paardichtewelle – eine spezielle Form eines supraleitenden Kondensats. Wie wir alle vom Kochen wissen, kondensiert Dampf beim Abkühlen und wird flüssig.

„Etwas Ähnliches passiert in Kagome-Metallen. Bei ultratiefen Temperaturen um –193°C ordnen sich die Elektronen neu an und verteilen sich wellenförmig im Material. Das ist seit der Entdeckung der Ladungsdichtewellen bekannt“, erklärt Doktorand Hendrik Hohmann, der gemeinsam mit seinem Kollegen Matteo Dürrnagel maßgeblich an der theoretischen Arbeit beteiligt war.

„Bei Temperaturen von –272°C (nahe dem absoluten Nullpunkt) schließen sich Elektronen zu Paaren zusammen. Diese Cooper-Paare verdichten sich zu einer Quantenflüssigkeit, die sich ebenfalls wellenförmig durch das Material ausbreitet und so widerstandsfreie Supraleitung ermöglicht. Diese wellenförmige Verteilung überträgt sich also von Elektronen auf Cooper-Paare.“

Frühere Forschungen an Kagome-Metallen haben sowohl Supraleitung als auch die räumliche Verteilung von Cooper-Paaren nachgewiesen. Die überraschende neue Entdeckung ist, dass diese Paare nicht nur gleichmäßig, sondern auch in einem wellenförmigen Muster innerhalb der Atomuntergitter verteilt sein können, ein Phänomen, das als „untergittermodulierte Supraleitung“ bezeichnet wird.

Dürrnagel ergänzt: „Das Vorhandensein von Paardichtewellen in KV3Sb5 ist letztlich auf die wellenförmige Elektronenverteilung bei Temperaturen 80° über der Supraleitung zurückzuführen. Diese Kombination von Quanteneffekten birgt erhebliches Potenzial.“

Die Forscher von ct.qmat suchen nun nach Kagome-Metallen, bei denen Cooper-Paare eine räumliche Modulation aufweisen, ohne dass vor der Supraleitung Ladungsdichtewellen entstehen. Vielversprechende Kandidaten werden bereits untersucht.

Nobelpreisgekrönter Josephson-Effekt ermöglicht Durchbruch

Das Experiment, das durch die direkte Entdeckung wellenförmig verteilter Cooper-Paare in einem Kagome-Metall bahnbrechend war, wurde von Jia-Xin Yin an der Southern University of Science and Technology in Shenzhen, China, entwickelt. Es nutzte ein Rastertunnelmikroskop mit einer supraleitenden Spitze, mit der Cooper-Paare direkt beobachtet werden konnten.

Das Design dieser Spitze, die in einem einzelnen Atom endet, basiert auf dem mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Josephson-Effekt. Zwischen der Mikroskopspitze und der Probe fließt ein supraleitender Strom, der die direkte Messung der Verteilung der Cooper-Paare ermöglicht.

„Die aktuellen Erkenntnisse sind ein weiterer Meilenstein auf dem Weg zu energieeffizienten Quantenbauelementen. Während diese Effekte derzeit nur auf atomarer Ebene beobachtbar sind, werden neuartige supraleitende Bauelemente möglich, sobald die Kagome-Supraleitung auf makroskopischer Ebene erreicht wird. Und genau das treibt unsere Grundlagenforschung an“, erklärt Professor Thomale.

Ausblick

Während in München das längste Supraleiterkabel der Welt verlegt wurde, wird an supraleitenden elektronischen Bauteilen noch immer intensiv geforscht. Im Labor wurden bereits erste supraleitende Dioden entwickelt, die allerdings auf einer Kombination verschiedener supraleitender Materialien basieren.

Im Gegensatz dazu fungieren die einzigartigen Kagome-Supraleiter mit ihrer inhärenten räumlichen Modulation von Cooper-Paaren selbst als Dioden und bieten spannende Möglichkeiten für supraleitende Elektronik und verlustfreie Schaltkreise.