Ladungswellen signalisieren seltene Physik, die in einem Supraleiter am Werk ist

„Ein Ort für alles und alles an seinem Platz“ – Ordnung oder Unordnung zu verstehen, hilft uns, die Natur zu verstehen. Tiere lassen sich in der Regel gut in Kategorien einteilen: Säugetiere, Vögel, Reptilien, was auch immer ein Axolotl ist und mehr. Die Sortierung gilt auch für Materialien: Isolator, Halbleiter, Leiter und sogar Supraleiter. Wo genau ein Material in der Hierarchie landet, hängt von einem scheinbar unsichtbaren Zusammenspiel von Elektronen, Atomen und ihrer Umgebung ab.

Im Gegensatz zu Tieren sind die Grenzen weniger scharf, und die Anpassung der Umgebung eines Materials kann dazu führen, dass es zwischen den Kategorien hin und her springt. Wenn beispielsweise die Temperatur gesenkt wird, werden einige Materialien zu Supraleitern. Das Einrasten in ein Magnetfeld könnte diesen Effekt umkehren. Innerhalb einer einzigen Kategorie können aus dem Teilchenmeer unterschiedliche Arten von Ordnungen oder Phasen entstehen.

Leider können wir dieses nanoskopische Universum nicht mit unseren Augen sehen, aber Wissenschaftler können fortschrittliche Bildgebungswerkzeuge verwenden, um zu visualisieren, was vor sich geht. Hin und wieder entdecken sie unerwartete und überraschende Verhaltensweisen.

„Die Entdeckung neuer Phasen der Materie ist einer der heiligen Grale der Physik und sorgt oft für große Aufregung, weil sie unsere Denk- und Sehweise verändern und sogar unser Verständnis des Verhaltens von Quantenteilchen verändern kann“, sagte der Physikprofessor Vidya Madhavan.

Unter der Leitung von Madhavan haben Forscher der University of Illinois, der University of Maryland, der WashU und des National Institute of Standards and Technology nun ungewöhnliche Ladungswellen in einem Kristall aus Uranditellurid (UTe2) beobachtet. Die Theoretiker des Teams entwickelten ein Modell, das die experimentellen Beobachtungen mit einem bisher unbekannten Aspekt der ungewöhnlichen Supraleitung des Kristalls verknüpft.

Die Ergebnisse, die erstmals letztes Jahr auf einer Konferenz vorgestellt wurden, inspirierten andere Forscher der Cornell University dazu, komplementäre Merkmale der Supraleitung direkt zu messen. Beide Ergebnisse wurden in veröffentlicht Natur.

Supraleiter wurden erst im 20. Jahrhundert entdeckt und Wissenschaftler arbeiten immer noch daran, die unzähligen Materialien zu erklären, die in diese Kategorie fallen. Diese Arbeit ist die neueste in einer Reihe von Ergebnissen zum Supraleiter UTe2.

Forscher der Gruppen von Nicholas Butch am NIST und Johnpierre Paglione an der University of Maryland lieferten die Kristalle für diese Studie. Bei Umgebungstemperatur ist UTe2 eher unauffällig und ähnelt einem Stück glänzendem, geschmolzenem Gestein. Wenn das Material mit flüssigem Helium gekühlt wird, beginnt es, Elektrizität zu leiten, ohne sich zu erwärmen – dies wird Supraleitung genannt.

Die normale Leitfähigkeit, die Bewegung von Elektronen, die Geräte antreibt, ist hauptsächlich ein Einzelpartikeleffekt. Dies bedeutet, dass Wissenschaftler die typische Leitfähigkeit weitgehend erklären und vorhersagen können, ohne die Physik der Elektron-Elektron-Wechselwirkungen zu berücksichtigen. Ganz anders ist die Supraleitung, denn hier interagieren Elektronen und bilden sogenannte Cooper-Paare.

Die Paarung ist nicht bei allen Materialien gleich, daher gibt es Supraleitung in mehr als einer Variante. Beispielsweise hat jedes Elektron eine Eigenschaft namens Spin, die auf zwei Arten ausgerichtet sein kann: nach oben oder nach unten. Wenn zwei Elektronen aneinander binden, können ihre Spins in entgegengesetzte Richtungen oder in die gleiche Richtung ausgerichtet sein.

Letzteres wird Triplettpaarung genannt und ist ein seltener Vogel in der Welt der Supraleitung. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler dieser Zusammenarbeit sowie anderer Gruppen Messungen durchgeführt, die darauf hindeuten, dass UTe2 über eine Triplettpaarung verfügt.

In dieser Studie verwendeten Experimentatoren aus Madhavans Gruppe ein Rastertunnelmikroskop (STM), um die mikroskopische Struktur des Materials sichtbar zu machen. In diesem Mikroskop gibt es weder Linsen noch Spiegel. Vielmehr bieten Elektronen ein empfindliches Fenster in die Struktur von UTe2.

Im Mikroskop streicht eine Wolframspitze mit einer Auflösung im Subnanometerbereich über die Oberfläche des Materials. Sowohl die Spitze als auch das Material sind Teil eines Stromkreises, wobei Elektronen durch das Vakuum von der Spitze zum Material rasen. Quantentunneln verursacht diese Bewegung und gibt dem Gerät seinen Namen. Der Aufbau arbeitet bei 300 Millikelvin und Magnetfeldern bis etwa 11 Tesla. Das STM ergab, dass die Verteilung der elektrischen Ladung nicht gleichmäßig war – stattdessen waren Streifen zu sehen.

„Wir haben die Existenz einer Ladungsdichtewelle im supraleitenden Zustand entdeckt, aber das ist an sich nicht unbedingt ungewöhnlich. Seltsam ist, dass die Zerstörung der Supraleitung auch dazu führt, dass die Ladungswelle verschwindet“, sagte Anuva Aishwarya, Hauptautorin und Physikerin Doktorand in Madhavans Gruppe, der unermüdlich die Physik von UTe2 und anderen exotischen Materialien erforscht hat.

Das Team führte eine Fourier-Analyse der Daten durch, die deutlich zeigte, dass Ladungsdichtewellen bei niedrigen Magnetfeldern vorhanden waren und dann oberhalb von 10 Tesla verschwanden, wo die Supraleitung schmolz. Dies war eines der Schlüsselsignale dafür, dass die Wellen irgendwie mit der Supraleitung des Materials verknüpft waren.

Eine Erklärung für diese Beobachtungen lieferten die Theoretiker Julian May-Mann und der Physikprofessor Eduardo Fradkin von der UIUC. Dem Team zufolge werden die Ladungsdichtewellen von einer völlig anderen Welle im Material erzeugt, die aus Cooper-Paaren besteht. Keine dieser Wellen verebbt und fließt wie Wasser. Stattdessen handelt es sich um statische Variationen zweier unterschiedlicher Eigenschaften – eine bezieht sich auf die Ladung und die andere auf die wechselwirkenden Elektronenpaare.

Zusammen liefern die Wellen Einblicke in die Ordnungstypen, die in UTe2 auftreten. Auch in anderen Supraleitern, die Kupfer- und Sauerstoffatome enthalten, können verwobene Eltern-Tochter-Wellen auftreten. Diese neue Studie ist das erste Mal, dass Wissenschaftler Beweise dafür in einem Supraleiter mit Triplettpaarung sehen.

„Das ist für mich sehr aufregend. Wenn diese Ladungsdichtewelle von einer Triplettpaar-Dichtewelle herrührt, dann könnte in diesem Material aufgrund sehr starker Elektronenwechselwirkungen eine grundlegend neue Phase entstanden sein“, sagte Aishwarya.