Physiker entdecken einen neuen Schalter für Supraleitung

Unter bestimmten Bedingungen – meist sehr kalt – verändern einige Materialien ihre Struktur, um neues, supraleitendes Verhalten freizusetzen. Diese Strukturverschiebung ist als „nematischer Übergang“ bekannt und Physiker vermuten, dass sie eine neue Möglichkeit bietet, Materialien in einen supraleitenden Zustand zu bringen, in dem Elektronen völlig reibungsfrei fließen können.

Aber was genau treibt diesen Übergang überhaupt voran? Die Antwort könnte Wissenschaftlern helfen, bestehende Supraleiter zu verbessern und neue zu entdecken.

Jetzt haben MIT-Physiker den Schlüssel dafür identifiziert, wie eine Klasse von Supraleitern einen nematischen Übergang durchläuft, und das steht in überraschendem Gegensatz zu dem, was viele Wissenschaftler angenommen hatten.

Die Physiker machten ihre Entdeckung bei der Untersuchung von Eisenselenid (FeSe), einem zweidimensionalen Material, das der Höchsttemperatur-Supraleiter auf Eisenbasis ist. Es ist bekannt, dass das Material bei Temperaturen von bis zu 70 Kelvin (nahe -300 Grad Fahrenheit) in einen supraleitenden Zustand übergeht. Obwohl sie immer noch ultrakalt ist, ist diese Übergangstemperatur höher als die der meisten supraleitenden Materialien.

Je höher die Temperatur ist, bei der ein Material Supraleitung zeigen kann, desto vielversprechender kann es für den Einsatz in der realen Welt sein, beispielsweise für die Realisierung leistungsstarker Elektromagnete für präzisere und leichtere MRT-Geräte oder magnetische Hochgeschwindigkeitszüge.

Für diese und andere Möglichkeiten müssen Wissenschaftler zunächst verstehen, was einen nematischen Schalter in Hochtemperatursupraleitern wie Eisenselenid antreibt. Bei anderen supraleitenden Materialien auf Eisenbasis haben Wissenschaftler beobachtet, dass dieser Wechsel auftritt, wenn einzelne Atome ihren magnetischen Spin plötzlich in eine koordinierte, bevorzugte magnetische Richtung verschieben.

Doch das MIT-Team fand heraus, dass sich Eisenselenid durch einen völlig neuen Mechanismus verschiebt. Anstelle einer koordinierten Verschiebung der Spins erfahren Atome in Eisenselenid eine kollektive Verschiebung ihrer Umlaufenergie. Es ist eine schöne Unterscheidung, die jedoch eine neue Tür zur Entdeckung unkonventioneller Supraleiter öffnet.

„Unsere Studie stellt die Dinge ein wenig neu dar, wenn es um den Konsens geht, der darüber erzielt wurde, was die Nematizität antreibt“, sagt Riccardo Comin, außerordentlicher Professor für Karriereentwicklung der Klasse 1947 für Physik am MIT. „Es gibt viele Wege zur unkonventionellen Supraleitung. Dies bietet eine zusätzliche Möglichkeit, supraleitende Zustände zu realisieren.“

Comin und seine Kollegen veröffentlichten ihre Ergebnisse in einer Studie, die in erschien Naturmaterialien. Zu den Co-Autoren am MIT gehören Connor Occhialini, Shua Sanchez und Qian Song sowie Gilberto Fabbris, Yongseong Choi, Jong-Woo Kim und Philip Ryan vom Argonne National Laboratory.

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Das Wort „Nematizität“ leitet sich vom griechischen Wort „nema“ ab. bedeutet „Faden“ – zum Beispiel um den fadenförmigen Körper des Nematodenwurms zu beschreiben. Nematizität wird auch verwendet, um konzeptionelle Fäden zu beschreiben, beispielsweise koordinierte physikalische Phänomene. Bei der Untersuchung von Flüssigkristallen kann beispielsweise nematisches Verhalten beobachtet werden, wenn sich Moleküle in koordinierten Linien anordnen.

In den letzten Jahren haben Physiker Nematizität verwendet, um eine koordinierte Verschiebung zu beschreiben, die ein Material in einen supraleitenden Zustand versetzt. Starke Wechselwirkungen zwischen Elektronen führen dazu, dass sich das Material als Ganzes wie mikroskopisch kleiner Karamell in eine bestimmte Richtung unendlich ausdehnt, sodass die Elektronen frei in diese Richtung fließen können. Die große Frage war, welche Art von Interaktion die Dehnung verursacht. In einigen Materialien auf Eisenbasis scheint diese Streckung durch Atome verursacht zu werden, die ihre magnetischen Spins spontan so verschieben, dass sie in die gleiche Richtung zeigen. Wissenschaftler gehen daher davon aus, dass die meisten Supraleiter auf Eisenbasis denselben, spingetriebenen Übergang vollziehen.

Aber Eisenselenid scheint sich diesem Trend zu widersetzen. Dem Material, das zufällig bei der höchsten Temperatur aller eisenbasierten Materialien in einen supraleitenden Zustand übergeht, scheint es außerdem an jeglichem koordinierten magnetischen Verhalten zu mangeln.

„Eisenselenid hat von all diesen Materialien die am wenigsten klare Geschichte“, sagt Sanchez, Postdoktorand am MIT und NSF MPS-Ascend Fellow. „In diesem Fall gibt es keine magnetische Ordnung. Um den Ursprung der Nematizität zu verstehen, muss man sich also sehr genau ansehen, wie sich die Elektronen um die Eisenatome anordnen und was passiert, wenn diese Atome auseinander gedehnt werden.“

Ein Superkontinuum

In ihrer neuen Studie arbeiteten die Forscher mit ultradünnen, millimeterlangen Eisenselenidproben, die sie auf einen dünnen Titanstreifen klebten. Sie ahmten die strukturelle Streckung nach, die während eines nematischen Übergangs auftritt, indem sie den Titanstreifen physikalisch streckten, was wiederum die Eisenselenidproben streckte. Während sie die Proben jeweils um den Bruchteil eines Mikrometers dehnten, suchten sie nach Eigenschaften, die sich auf koordinierte Weise veränderten.

Mithilfe ultraheller Röntgenstrahlen verfolgte das Team, wie sich die Atome in jeder Probe bewegten und wie sich die Elektronen jedes Atoms verhielten. Ab einem bestimmten Punkt beobachteten sie eine deutliche, koordinierte Verschiebung der Orbitale der Atome. Atomorbitale sind im Wesentlichen Energieniveaus, die die Elektronen eines Atoms einnehmen können. In Eisenselenid können Elektronen einen von zwei Orbitalzuständen um ein Eisenatom einnehmen. Normalerweise ist die Wahl des zu besetzenden Staates zufällig.

Das Team stellte jedoch fest, dass die Elektronen des Eisenselenids mit zunehmender Dehnung begannen, einen Orbitalzustand dem anderen vorzuziehen. Dies signalisierte eine klare, koordinierte Verschiebung, zusammen mit einem neuen Mechanismus der Nematizität und Supraleitung.

„Was wir gezeigt haben, ist, dass es unterschiedliche zugrunde liegende Physik gibt, wenn es um Spin und orbitale Nematizität geht, und dass es ein Kontinuum von Materialien geben wird, die zwischen beiden liegen“, sagt Occhialini, ein MIT-Doktorand. „Bei der Suche nach neuen Supraleitern wird es wichtig sein zu verstehen, wo man sich in dieser Landschaft befindet.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.