Forscher beobachten „gesperrte“ Elektronenpaare in einem supraleitenden Kuprat

Seit ihrer Entdeckung im letzten Jahrhundert haben Supraleiter und ihre mysteriösen atomaren Eigenschaften die Forscher in Erstaunen versetzt. Diese besonderen Materialien ermöglichen den Stromfluss ohne Energieverlust. Sie lassen sogar Züge schweben.

Supraleiter funktionieren jedoch normalerweise nur bei extrem niedrigen Temperaturen. Wenn diese Materialien erhitzt werden, werden sie zu normalen Leitern, die zwar den Stromfluss zulassen, aber etwas Energie verlieren, oder zu Isolatoren, die überhaupt keinen Strom leiten.

Forscher haben intensiv an der Suche nach Supraleitermaterialien gearbeitet, die ihre Magie auch bei höheren Temperaturen entfalten können – vielleicht eines Tages sogar bei Raumtemperatur. Die Entdeckung oder Herstellung eines solchen Materials könnte die moderne Technologie verändern, von Computern und Mobiltelefonen bis hin zum Stromnetz und Transportwesen. Darüber hinaus macht der einzigartige Quantenzustand von Supraleitern sie auch zu hervorragenden Bausteinen für Quantencomputer.

Nun haben Forscher beobachtet, dass eine notwendige Eigenschaft eines Supraleiters – die sogenannte Elektronenpaarung – bei viel höheren Temperaturen auftritt als bisher angenommen und zwar in einem Material, in dem man es am wenigsten erwartet – einem antiferromagnetischen Isolator. Obwohl das Material keinen Nullwiderstand aufwies, deutet diese Entdeckung darauf hin, dass Forscher möglicherweise Wege finden könnten, aus ähnlichen Materialien Supraleiter herzustellen, die bei höheren Temperaturen funktionieren.

Das Forschungsteam vom SLAC National Accelerator Laboratory, der Stanford University und anderen Institutionen hat veröffentlicht seine Ergebnisse in Wissenschaft.

„Die Elektronenpaare sagen uns, dass sie bereit sind, supraleitend zu werden, aber etwas hält sie davon ab“, sagte Ke-Jun Xu, ein Stanford-Student der angewandten Physik und Mitautor der Studie. „Wenn wir eine neue Methode finden, um die Paare zu synchronisieren, könnten wir diese möglicherweise anwenden, um Supraleiter für höhere Temperaturen zu bauen.“

Nicht synchrone Elektronen

In den letzten 100 Jahren haben Forscher viel darüber gelernt, wie Supraleiter genau funktionieren. Wir wissen zum Beispiel, dass sich Elektronen paarweise bilden müssen, damit ein Material supraleitend wird, und dass diese Paare kohärent sein müssen, d. h. ihre Bewegungen müssen synchronisiert sein. Wenn Elektronen zwar gepaart, aber inkohärent sind, könnte das Material letztlich ein Isolator sein.

In Supraleitern verhalten sich die Elektronen wie zwei zurückhaltende Menschen auf einer Tanzparty. Zunächst will keiner mit dem anderen tanzen. Doch dann spielt der DJ ein Lied, das beiden gefällt, und sie können sich entspannen. Sie bemerken, dass der andere das Lied mag, und fühlen sich aus der Ferne zueinander hingezogen – sie haben sich gepaart, sind aber noch nicht kohärent geworden.

Dann spielt der DJ ein neues Lied, das beide absolut lieben. Plötzlich paaren sich die beiden und beginnen zu tanzen. Bald folgen alle auf der Tanzparty seinem Beispiel: Sie kommen alle zusammen und beginnen, zur gleichen neuen Melodie zu tanzen. An diesem Punkt wird die Party kohärent; sie befindet sich in einem supraleitenden Zustand.

In der neuen Studie beobachteten die Forscher Elektronen in einem mittleren Stadium, in dem sich die Blicke trafen, sie jedoch nicht aufstanden, um zu tanzen.

Cuprate verhalten sich merkwürdig

Kurz nach der Entdeckung der Supraleiter stellten Forscher fest, dass die Elektronen durch Schwingungen im darunterliegenden Material selbst gepaart und zum Tanzen gebracht wurden. Diese Art der Elektronenpaarung tritt in einer Klasse von Materialien auf, die als konventionelle Supraleiter bekannt sind und gut erforscht sind, sagte Zhi-Xun Shen, Professor an der Stanford University und Forscher am Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) am SLAC, der die Forschung beaufsichtigte. Konventionelle Supraleiter arbeiten bei Temperaturen, die bei Umgebungsdruck typischerweise nahe dem absoluten Nullpunkt, also unter 25 Kelvin, liegen.

Unkonventionelle Supraleiter – wie das Kupferoxidmaterial (Kuprat) in der aktuellen Studie – funktionieren bei deutlich höheren Temperaturen, manchmal bis zu 130 Kelvin. Bei Kupraten wird allgemein angenommen, dass etwas anderes als Gitterschwingungen dabei hilft, Elektronen zu paaren. Obwohl die Forscher nicht genau wissen, was dahinter steckt, sind fluktuierende Elektronenspins der vielversprechendste Kandidat, die dafür sorgen, dass die Elektronen sich paaren und mit einem höheren Drehimpuls tanzen.

Dieses Phänomen ist als Wellenkanal bekannt – und erste Anzeichen eines solchen neuartigen Zustands wurden vor etwa drei Jahrzehnten in einem Experiment am SSRL beobachtet. Das Verständnis der Elektronenpaarung in Kupraten könnte dabei helfen, Supraleiter zu entwickeln, die bei höheren Temperaturen funktionieren.

In diesem Projekt wählten die Wissenschaftler eine Kupratfamilie, die noch nicht eingehend untersucht worden war, da ihre maximale Supraleitungstemperatur im Vergleich zu anderen Kupraten relativ niedrig war – 25 Kelvin. Schlimmer noch: Die meisten Mitglieder dieser Familie sind gute Isolatoren.

Um die atomaren Details des Kuprats zu sehen, bestrahlten die Forscher Materialproben mit ultraviolettem Licht, das Elektronen aus dem Material herausschleudert. Wenn die Elektronen gebunden sind, bieten sie etwas mehr Widerstand gegen das Herausschleudern, was zu einer „Energielücke“ führt. Diese Energielücke bleibt bis zu 150 Kelvin bestehen, was darauf hindeutet, dass Elektronen bei viel höheren Temperaturen gepaart werden als im Zustand ohne Widerstand bei etwa 25 Kelvin. Das ungewöhnlichste Ergebnis dieser Studie ist, dass die Paarung bei den isolierendsten Proben am stärksten ist.

Das in der Studie untersuchte Kuprat sei möglicherweise nicht das Material, das bei Raumtemperatur (etwa 300 Kelvin) Supraleitung erreicht, sagte Shen. „Aber vielleicht können wir dieses Wissen in einer anderen supraleitenden Materialfamilie für Hinweise nutzen, um näher an die Raumtemperatur heranzukommen“, sagte er.

„Unsere Erkenntnisse eröffnen einen potenziell lukrativen neuen Weg in die Zukunft“, sagte Shen. „Wir planen, diese Paarungslücke in Zukunft zu untersuchen, um mithilfe neuer Methoden Supraleiter zu entwickeln. Einerseits planen wir, am SSRL ähnliche experimentelle Ansätze zu verwenden, um weitere Einblicke in diesen inkohärenten Paarungszustand zu gewinnen. Andererseits wollen wir Wege finden, diese Materialien zu manipulieren, um diese inkohärenten Paare möglicherweise zur Synchronisation zu zwingen.“