Elektronen nehmen in unkonventionellem Metall eine neue Form an

Eine der größten Errungenschaften der Quantenphysik war die Neufassung unserer Vision des Atoms. Out war das Modell eines Sonnensystems in Miniatur aus den frühen 1900er Jahren, in dem Elektronen einen festen Kern umkreisen. Stattdessen zeigte die Quantenphysik, dass Elektronen ein weitaus interessanteres Leben führen und sich in Wolken, die wie winzige Ballons aussehen, um den Kern schlängeln. Diese Ballons sind als Atomorbitale bekannt und es gibt sie in allen möglichen Formen – perfekt rund, zweilappig, kleeblattförmig. Die Anzahl der Lappen im Ballon gibt an, wie stark sich das Elektron um den Kern dreht.

Das ist alles schön und gut für einzelne Atome, aber wenn Atome zusammenkommen, um etwas Festes zu bilden – wie etwa ein Stück Metall –, können die äußersten Elektronen in den Atomen Arme verbinden und den Kern, aus dem sie kamen, aus den Augen verlieren und viele übergroße bilden Ballons, die das ganze Metallstück überspannen. Sie hören auf, sich um ihre Kerne zu drehen und fließen durch das Metall, um elektrische Ströme zu transportieren, wodurch die Vielfalt der mehrlappigen Ballons abgeworfen wird.

Jetzt haben Forscher des Quantum Materials Center (QMC) an der University of Maryland (UMD) in Zusammenarbeit mit Theoretikern des Condensed Matter Theory Center (CMTC) und des Joint Quantum Institute (JQI) den ersten experimentellen Beweis dafür erbracht, dass ein Metall – und wahrscheinlich auch andere in seiner Klasse – haben Elektronen, die es schaffen, eine interessantere, mehrlappige Struktur zu bewahren, wenn sie sich in einem Festkörper bewegen. Das Team untersuchte experimentell die Form dieser Ballons und fand keine einheitliche Oberfläche, sondern eine komplexe Struktur. Dieses ungewöhnliche Metall ist nicht nur grundsätzlich interessant, sondern könnte sich auch als nützlich erweisen, um rauschresistente Quantencomputer zu bauen.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher kürzlich in der Fachzeitschrift Physikalische Überprüfungsforschung.

„Als ich das zum ersten Mal entdeckte, war ich so aufgeregt“, sagt Hyunsoo Kim, ein ehemaliger Postdoktorand am QMC und Hauptautor der Arbeit. „Aber es hat Jahre gedauert, es vollständig zu studieren, weil es kein herkömmliches Konzept und auch experimentell sehr herausfordernd ist, qualitativ hochwertige Daten zu sammeln.“

Bereits 2011 entdeckte das Team erstmals, dass das betreffende Metall – Yttrium-Platin-Bismut oder YPtBi – ein Supraleiter werden könnte. Einige Materialien werden bei ausreichend niedrigen Temperaturen zu Supraleitern und verlieren jeglichen Widerstand gegen elektrischen Strom. YPtBi war ein unwahrscheinlicher Kandidat für Supraleitung, da es viel weniger bewegliche, stromführende Elektronen hat als die meisten Supraleiter. Aber zur Überraschung der Forscher wurde es trotzdem supraleitend. Darüber hinaus bewies sein Verhalten bei Einwirkung eines Magnetfelds, dass es sich nicht um einen gewöhnlichen Supraleiter handelte.

Damals vermuteten die Forscher, dass die Form der Elektronenorbitale schuld sei und schlossen daraus, dass Elektronen, die sich um sich selbst drehen und mehr Kreise im Raum ziehen – also Elektronen mit höherem Drehimpuls – einen beispiellosen Zustand der Supraleitung bilden.

„Wir hatten, wie ich es nennen würde, Indizienbeweise dafür, dass die Supraleitung aus diesen Elektronenpaaren mit höherem Drehimpuls besteht“, sagt Johnpierre Paglione, Physikprofessor an der UMD, Direktor des QMC und Leiter der experimentellen Gruppe in dieser Zusammenarbeit . „Aber es gab wirklich keinen direkten Beweis für diese Elektronen mit hohem Drehimpuls.“

Um in den neuen Experimenten direktere Beweise zu sammeln, erhöhte das Team die Temperatur und untersuchte das Material in seinem normalen, nicht supraleitenden Zustand. Dann führten sie eine klassische Messung durch, die so etwas wie das kollektive Atomorbital für alle im Metall herumschwimmenden Elektronen abbildet.

Wenn man in ein Metall hineinspäht, sieht man Atome, die in sauberen, sich wiederholenden Gittern angeordnet sind, die als Kristallgitter bezeichnet werden. In einem Kristall gehen die Atomorbitale der äußersten Elektronen ineinander über. Dadurch können sich die Elektronen weit von ihrem ursprünglichen Kern entfernen und Strom durch das Metall leiten. In dieser soliden Umgebung gibt es immer noch eine Version von Orbitalballons, aber es ist üblicher, sie nicht im Weltraum zu visualisieren – wo es viele riesige und unhandliche Orbitale gibt – sondern als Funktion der Geschwindigkeit und Richtung der sich bewegenden Elektronen. Die sich am schnellsten bewegenden Elektronen im Kristall bilden ihren eigenen Ballon, ein kollektives Analogon von Atomorbitalen, bekannt als Fermi-Oberfläche.

Die Form der Fermi-Fläche spiegelt die Struktur des darunter liegenden Kristalls wider, der normalerweise keine Ähnlichkeit mit der Orbitalstruktur einzelner Atome hat. Aber für Materialien wie YPtBi mit sehr wenigen beweglichen Elektronen ist die Fermi-Oberfläche nicht sehr groß. Dadurch behält es einige Eigenschaften von Elektronen, die sich kaum bewegen und im Zentrum der Fermi-Fläche sitzen.

„Die Tatsache, dass die Natur kontraintuitive atomare Anordnungen herausfindet, die es der Fermi-Oberfläche ermöglichen, Signaturen der Atomorbitale beizubehalten, ist ziemlich cool und kompliziert“, sagt JQI-Co-Direktor und Fellow Jay Deep Sau, außerordentlicher Professor für Physik an der UMD und ein Theoretiker Mitarbeit am neuen Papier.

Um diese kühle, kontraintuitive Fermi-Oberfläche aufzudecken, steckten die Forscher einen YPtBi-Kristall in ein Magnetfeld und maßen den durch den Kristall fließenden Strom, während sie das Feld einstellten. Indem sie die Richtung des Magnetfelds drehten, konnten sie die Geschwindigkeit der schnellsten Elektronen in jeder Richtung abbilden. Sie fanden heraus, dass die Fermi-Oberfläche ähnlich wie ein Atomorbital mit höherem Drehimpuls eine komplexe Form mit Spitzen und Tälern entlang bestimmter Richtungen hat. Die hohe Symmetrie des Kristalls selbst würde normalerweise zu einer gleichmäßigeren, kugelähnlichen Fermi-Oberfläche führen, daher war es eine Überraschung, eine kompliziertere Struktur zu finden. Dies wies auf die Möglichkeit hin, dass die kollektiven Elektronen einen Teil der höheren Drehimpulsnatur von Atomorbitalen aufwiesen.

Tatsächlich zeigten theoretische Berechnungen des CMTC-Teams, dass die experimentellen Ergebnisse mit einem Modell mit hohem Drehimpuls übereinstimmten, was das Team dazu veranlasste, die erste experimentelle Beobachtung eines Metalls mit hohem Drehimpuls zu behaupten. Das Team warnt davor, dass selbst diese experimentellen Beweise noch unvollständig sein könnten. Was sie gemessen haben, hängt nicht nur von der Fermi-Fläche ab, sondern auch von anderen Eigenschaften der Elektronen, etwa ihrer effektiven Masse und der Verteilung ihrer Geschwindigkeiten. In ihrer Arbeit untersuchte das Team systematisch die Winkelabhängigkeit dieser anderen Größen und zeigte, dass es äußerst unwahrscheinlich wäre, dass sie die beobachteten Spitzen und Täler verursachen.

Dieses Metall mit höherem Drehimpuls ist nicht nur grundlegend neuartig, sondern bietet auch potenzielle Anwendungen für Quantencomputer. Es gibt Vorhersagen, dass einige exotische supraleitende Zustände zu Eigenschaften führen könnten, die von dem Rauschen, das an einem bestimmten Punkt auftritt, unbeeinflusst bleiben. Diese Eigenschaften könnten in der Lage sein, Quantenbits zu codieren, was möglicherweise die Entwicklung von Quantencomputern ermöglicht, die viel robuster sind. Ob YPtBi in der richtigen Weise exotisch ist, um dies zu erreichen, bleibt abzuwarten, aber die neue Arbeit ist ein bedeutender Schritt, um dies herauszufinden.

„Es gibt viele Teile des Puzzles, um genau zu verstehen, welche Art von Supraleiter Sie haben und ob Sie ihn für Quantenberechnungen nutzen können“, sagt Paglione. „Es gibt einige experimentelle Herausforderungen, um die restlichen Teile des Puzzles zu finden. Aber ich denke, wir haben ein gutes Stück auf dem Weg dorthin.“