Stellen Sie sich einen Vogelschwarm vor, der über den Himmel kreist: Er wächst zu einer Masse zusammen, fließt in Bänder, die sich drehen und wieder in fantastische Formen verwandeln. Wenn Sie einem Vogel innerhalb des Schwarms folgen, können Sie seine Aktionen beschreiben, wie er mit den Flügeln schlägt oder seinen Schwanz zum Bremsen nutzt. Doch selbst wenn man das Verhalten jedes einzelnen Vogels genau erklären könnte, würden sich die Formen und Muster seines kollektiven Fluges immer noch dem Verständnis entziehen.
Elektronen schwärmen nicht wie Vögel. Aber Debanjan Chowdhury, Assistenzprofessor für Physik, steht vor einer ähnlichen Herausforderung, wenn er versucht zu beschreiben, wie sich Elektronen in Quantenmaterialien verhalten.
Seit Jahrzehnten untersuchen Wissenschaftler Elektronen, indem sie gängige Materialien wie Silizium untersuchen und jeweils ein Elektron beobachten. „Trotz der Komplexität der Elektronen in Silizium können wir die messbaren Eigenschaften des Materials effektiv beschreiben, indem wir uns auf jedes einzelne Elektron konzentrieren, als ob die anderen nicht existieren würden“, sagt Chowdhury.
Doch in letzter Zeit sind Wissenschaftler von sogenannten Quantenmaterialien begeistert, in denen Billionen von Elektronen interagieren und sich gegenseitig beeinflussen – ein Verhalten, das bei Hochtemperatur-Supraleitern offensichtlich ist. „Diese neuen Materialien weisen kontraintuitive Eigenschaften auf, die nicht durch die Behandlung dieser Elektronen einzeln beschrieben werden können“, sagt Chowdhury. „Stattdessen müssen wir die Elektronen in diesen Materialien als eine kollektive Flüssigkeit behandeln, in der die Elektronen stark miteinander verschränkt sind. Wir verfügen noch nicht einmal über die richtigen technischen Werkzeuge und mathematischen Maschinen, um ihre Eigenschaften zuverlässig zu beschreiben.“
Für Chowdhury, einen theoretischen Physiker, sind Quantenmaterialien Rätsel und Wege zur Innovation zugleich. „Diese Materialien sind spannend“, sagt er. „Sie sind vielversprechend, um unser grundlegendes Verständnis der Quantenmechanik in Bezug auf Billionen wechselwirkender Elektronen zu verbessern. Sie könnten möglicherweise auch die nächste Generation von Quantentechnologien vorantreiben.“
Hochtemperatur-Supraleiter
Wenn bei Raumtemperatur ein elektrischer Strom durch einen normalen Leiter, beispielsweise Kupfer, fließt, erzeugen mikroskopische Wechselwirkungen zwischen dem Leiter und den fließenden Elektronen einen Widerstand. Ähnlich wie mechanische Reibung gibt dieser Widerstand einen Teil der Energie des elektrischen Stroms in Form von Wärme ab.
Im Gegensatz dazu leiten Supraleiter elektrischen Strom ohne den geringsten Energieverlust.
Als die Supraleitung 1911 entdeckt wurde, wurde sie nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) beobachtet, was ein Hindernis für die Nutzung ihres verlustfreien Energieflusses für alltägliche Anwendungen darstellte. In den 1980er Jahren begannen Wissenschaftler jedoch, Materialien zu entdecken, deren Temperaturschwelle für Supraleitung viel höher liegt – bis zu -100 °C. Das ist extrem kalt, aber die Temperatur kann mit flüssigem Stickstoff aufrechterhalten werden, was Hochtemperatur-Supraleiter zu weitaus besseren Kandidaten für praktische Anwendungen macht.
Das Verständnis der Quantenphänomene, die den Elektronenfluss in Hochtemperatur-Supraleitern steuern, könnte unglaubliche technologische und sogar planetarische Auswirkungen haben, erklärt Chowdhury. Als Beispiel nennt er Kraftwerke. Etwa 65 % des von Kraftwerken erzeugten Stroms gehen bei der Übertragung verloren. Durch die Eliminierung dieser Verluste könnten Hochtemperatur-Supraleiter den CO2-Fußabdruck der Stromerzeugung drastisch reduzieren.
Dennoch gehören zahlreiche Hochtemperatursupraleiter zu einer breiteren Klasse von Materialien, die als seltsame Metalle bezeichnet werden und sich weiterhin jeder Erklärung entziehen. Sie sind auf eine noch nie dagewesene Weise seltsam – und das nicht nur im Hinblick auf ihre Supraleitung.
Bei unterschiedlichen Temperaturen sehr unterschiedliche Eigenschaften
Vor der Entdeckung seltsamer Metalle bestätigten Beobachtungen im Allgemeinen, dass die Verlustleistung in einem typischen Leiter mit zunehmender Temperatur zunimmt, jedoch nur bis zu einem bestimmten Punkt. Über diesen Punkt hinaus können Sie die Temperatur des Systems erhöhen, ohne die Leitfähigkeit des Materials zu beeinträchtigen. Erhöhen Sie die Temperatur von Kupfer an einem heißen Sommertag von -150 °C auf -10 °C oder sogar 39 °C, und Sie haben immer noch einen vollkommen guten Leiter.
Bei seltsamen Metallen gibt es jedoch keine Obergrenze für deren Verlustleistung. Stattdessen nimmt ihre Leitfähigkeit mit steigenden Temperaturen weiter ab. „Man könnte meinen, dass … ein Material, das bei Temperaturen nahe oder unter -100 °C supraleiten kann, bei Raumtemperatur ein sehr guter elektrischer Leiter wäre, ähnlich wie Kupfer oder Silber“, sagt Chowdhury. „Stattdessen sind diese seltsamen Metalle unter normalen Bedingungen schreckliche Leiter.“
Universalität in seltsamen Metallen
Die Elektronen in jedem Material kollidieren ständig. Wenn die Temperatur eines Systems sinkt, werden die Elektronen langsamer und die Zeit zwischen Kollisionen verlängert sich.
Für seltsame Metalle bei niedrigen Temperaturen ist der Zeitraum zwischen aufeinanderfolgenden Kollisionen jedoch ungewöhnlich kurz. Und die Seltsamkeit hört hier nicht auf, sagt Chowdhury. Das Intervall wird genau durch die Temperatur des Systems und das Plancksche Wirkungsquantum, eine Grundkonstante der Natur, bestimmt. Dieses Verhalten gilt unabhängig von der chemischen Zusammensetzung des seltsamen Metalls und unabhängig von der Schwellentemperatur, bei der seine supraleitenden Kräfte zum Vorschein kommen.
„Physiker sind jedes Mal begeistert, wenn wir das Aufkommen von Universalität sehen, denn das bedeutet, dass die komplizierten mikroskopischen Details, die mit einem bestimmten Material verbunden sind, nicht die gemeinsamen Merkmale aller unterschiedlichen Verbindungen beeinträchtigen“, sagt Chowdhury. „Wir können hoffen, eine theoretische Erklärung zu finden, die für alle diese Verbindungen funktioniert.“
Chowdhury untersucht den Ursprung dieser universellen Zeitskala für unterschiedliche supraleitende Verbindungen. „Dieser Zeitpunkt der Elektronenkollisionen zeigt uns, dass die Quantenmechanik von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der grundlegenden Physik ist, die steuert, wie die elektronische Flüssigkeit in diesen seltsamen Metallen Strom transportiert“, sagt er. „Der grundlegende Grund für diese universelle Zeitskala ist wahrscheinlich auch für die Entwicklung der Hochtemperatursupraleitung verantwortlich.“
Um den Zeitpunkt von Elektronenkollisionen in seltsamen Metallen zu erklären, versucht Chowdhury, die einfachste Quantenfeldtheorie zu schreiben, die die Eigenschaften der wechselwirkenden Teilchen beschreiben würde. „Ich versuche, ein minimales mathematisches Modell dafür zu erstellen, was die Elektronen tun könnten“, sagt er. „Ich versuche, interessante Wege zu finden, um das Rätsel zu lösen, indem ich Techniken und Ideen verwende, die von Entwicklungen in verschiedenen Teilbereichen der Physik inspiriert sind, manchmal sogar unter Einbeziehung von Quanteninformation und Schwarzen Löchern.“
Moiré-Materialien
In einem besonderen, aber verwandten Bereich arbeitet die Chowdhury-Gruppe mit Experimentalphysikern zusammen, um die Physik von Moiré-Materialien zu erforschen, einer neuen Klasse von Materialien, die 2018 von Pablo Jarillo-Herrero und Mitarbeitern am Massachusetts Institute of Technology entdeckt wurde. Mitglieder von Jarillo-Herreros Labor legten zwei Graphenschichten übereinander, die jeweils aus einer einzelnen Atomschicht aus Kohlenstoffatomen bestanden. Anschließend verdrehte das Forschungsteam ein Blatt um 1,1 Grad relativ zum anderen. Das resultierende System – Moiré-Material genannt, weil die beiden leicht versetzten Schichten ein Moiré-Muster erzeugen – beherbergte neue und unerwartete Phänomene, einschließlich Supraleitung.
„Es gibt viele andere zweidimensionale Materialien, mit denen man das gleiche Spiel spielen kann“, sagt Chowdhury. „Das Erstaunliche an Moiré-Materialien ist, dass die beiden Schichten nicht aus demselben Material bestehen müssen. Durch das Stapeln und Verdrehen verschiedener Schichten hat man die Möglichkeit, die kinetische Energie der Elektronen – also ihre Geschwindigkeit – von außen zu steuern.“ effektiv im System bewegen – im Gegensatz dazu, wie stark sie miteinander interagieren. Beispielsweise ist eine Drehung von einem Punkt und einem Grad in Graphen der optimale Punkt, an dem die Elektronen aufgrund subtiler quantenmechanischer Effekte fast zum Stillstand kommen.“
Im Allgemeinen entsteht Supraleitung, wenn zwei Elektronen zusammenkommen, ein sogenanntes Cooper-Paar bilden und sich dann mit einer endlichen kinetischen Energie in Bewegung setzen.
„Wenn also die Elektronen in zwei Graphenschichten mit einer Drehung von 1,1 Grad fast keine kinetische Energie haben, wie können sich dann Elektronenpaare bewegen?“ fragt Chowdhury. „Die Antwort liegt in den topologischen Eigenschaften [properties preserved through deformations, twisting, and stretching of objects] die mit der quantenmechanischen Wellenfunktion des Elektrons verbunden sind, kombiniert mit einer starken Elektron-Elektron-Wechselwirkung. Diese Kombination aus topologischen Eigenschaften und stark verschränkten Elektronen bietet einen grundlegend neuen Weg zur Entwicklung von Supraleitern für höhere Temperaturen.
Die Grenzen der Vorstellungskraft überschreiten
Wenn er nicht gerade an bestehende und laufende Experimente denkt, stellt sich Chowdhury gerne interessante Quanteneffekte vor, die theoretisch möglich sind, auch wenn sie außerhalb der Reichweite bestehender Messungen liegen. „Ich stoße an die Grenzen meiner Vorstellungskraft, indem ich frage: „Wenn wir keine grundlegenden Naturgesetze verletzen und uns auf die unbekannte Welt der verschränkten Elektronen konzentrieren, was kann dann noch passieren?“ Und wie würden wir so etwas erkennen?‘“, sagt er.
„Die Quantenwelt ist faszinierend und wir verstehen so wenig darüber, dass ich bestrebt bin, grundlegende, konzeptionelle Fortschritte in der Theorie der wechselwirkenden Elektronen zu machen“, fährt er fort. „Es gibt eine endlose Liste völlig neuer Phänomene, an die noch niemand gedacht hat und die darauf warten, entdeckt zu werden.“