Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) haben mit einem Quantensimulator Ladungsträgerpaare beobachtet, die für den widerstandslosen Transport von elektrischem Strom in Hochtemperatur-Supraleitern verantwortlich sein könnten. Bisher sind die genauen physikalischen Mechanismen in diesen komplexen Materialien noch weitgehend unbekannt.
Theorien gehen davon aus, dass die Ursache für die Paarbildung und damit für das Phänomen der Supraleitung in magnetischen Kräften liegt. Das Team in Garching konnte nun erstmals eine so gebildete Paarung demonstrieren. Ihr Experiment basierte auf einer gitterartigen Anordnung kalter Atome sowie auf einer trickreichen Unterdrückung der Bewegung freier Ladungsträger. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher im Fachblatt Natur.
Seit der Entdeckung von Hochtemperatur-Supraleitern vor fast 40 Jahren versuchen Wissenschaftler, ihren grundlegenden quantenphysikalischen Mechanismen auf die Spur zu kommen. Doch die komplexen Materialien geben noch immer Rätsel auf. Die neuen Erkenntnisse eines Teams der Abteilung Quanten-Vielteilchensysteme am MPQ in Garching liefern nun neue mikroskopische Einblicke in Prozesse, die diesen sogenannten unkonventionellen Supraleitern zugrunde liegen könnten.
Entscheidend für jede Art von Supraleitung ist die Bildung eng verbundener Paare von Ladungsträgern – Elektronen oder Löchern, wie Elektronenleerstellen genannt werden. „Der Grund dafür liegt in der Quantenmechanik“, erklärt MPQ-Physikerin Sarah Hirthe. Jedes Elektron oder Loch trägt einen halbzahligen Spin – eine quantenphysikalische Größe, die man sich als Maß für die Innenrotation eines Teilchens vorstellen kann. Atome haben auch einen Spin. Aus quantenstatistischen Gründen können sich jedoch unter bestimmten Bedingungen nur Teilchen mit ganzzahligem Spin ohne Widerstand durch ein Kristallgitter bewegen. „Deshalb müssen sich dafür Elektronen oder Löcher paaren“, sagt Hirthe.
Bei herkömmlichen Supraleitern helfen Gitterschwingungen, sogenannte Phononen, bei der Paarung. Bei nicht-konventionellen Supraleitern hingegen wirkt ein anderer Mechanismus – doch die Frage, um welchen es sich handelt, blieb bisher ungeklärt. „In einer weit verbreiteten Theorie spielen indirekte magnetische Kräfte eine entscheidende Rolle“, berichtet Sarah Hirthe. „Aber das konnte in Experimenten bisher nicht bestätigt werden.“
Festkörpermodell mit Löchern versehen
Um die Vorgänge in solchen Materialien besser zu verstehen, nutzten die Forscher einen Quantensimulator: eine Art Quantencomputer, der physikalische Systeme nachbildet. Dazu ordneten sie ultrakalte Atome im Vakuum mit Laserlicht so an, dass sie die Elektronen in einem vereinfachten Festkörpermodell simulieren. Dabei ordneten sich die Spins der Atome in wechselnder Richtung an: Es entstand eine antiferromagnetische Struktur, die für viele Hochtemperatur-Supraleiter charakteristisch ist – und durch magnetische Wechselwirkungen stabilisiert wird. Das Team dotierte dieses Modell dann, indem es die Anzahl der Atome im System reduzierte. Dadurch entstanden Löcher in der gitterartigen Struktur.
Das Team am MPQ konnte nun zeigen, dass die magnetischen Kräfte tatsächlich zu Paaren führen. Um dies zu erreichen, bedienten sie sich eines experimentellen Tricks. „Bewegte Ladungsträger in einem Material wie Hochtemperatur-Supraleitern unterliegen einem Wettstreit unterschiedlicher Kräfte“, erklärt Hirthe.
Einerseits haben sie den Drang, sich auszubreiten, dh überall gleichzeitig zu sein. Das verschafft ihnen einen energetischen Vorteil. Andererseits sorgen magnetische Wechselwirkungen für eine regelmäßige Anordnung der Spinzustände von Atomen, Elektronen und Löchern – und vermutlich auch für die Bildung von Ladungsträgerpaaren. „Die Kräftekonkurrenz hat uns jedoch bisher daran gehindert, solche Paare mikroskopisch zu beobachten“, sagt Timon Hilker, Leiter der Forschungsgruppe. „Deshalb hatten wir die Idee, die störende Bewegung der Ladungsträger in eine Raumrichtung zu verhindern.“
Ein genauer Blick durch das Quantengasmikroskop
Auf diese Weise blieben die Magnetkräfte weitgehend ungestört. Das Ergebnis: Nahe beieinander liegende Löcher bildeten die erwarteten Paare. Um solche Paarungen zu beobachten, nutzte das Team ein Quantengasmikroskop – ein Gerät, mit dem sich quantenmechanische Prozesse im Detail verfolgen lassen. Es wurden nicht nur die Lochpaare freigelegt, sondern auch die relative Anordnung der Paare beobachtet, was auf abstoßende Kräfte zwischen ihnen hindeutet. Das Team berichtet in der Fachzeitschrift über seine Arbeit Natur.
„Die Ergebnisse unterstreichen die Idee, dass der Verlust des elektrischen Widerstands in nicht-konventionellen Supraleitern durch magnetische Kräfte verursacht wird“, sagt Prof. Immanuel Bloch, Direktor am MPQ und Leiter der Abteilung Quanten-Vielteilchensysteme. „Dies führt zu einem besseren Verständnis dieser außergewöhnlichen Materialien und zeigt einen neuen Weg auf, wie sich auch bei sehr hohen Temperaturen stabile Lochpaare bilden können, die möglicherweise die kritische Temperatur von Supraleitern deutlich erhöhen.“
Die Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik planen nun neue Experimente an komplexeren Modellen, in denen große zweidimensionale Anordnungen von Atomen verbunden werden. Solche größeren Systeme werden hoffentlich mehr Lochpaare erzeugen und die Beobachtung ihrer Bewegung durch das Gitter ermöglichen: den Transport von elektrischem Strom ohne Widerstand aufgrund von Supraleitung.
Mehr Informationen:
Sarah Hirthe et al, Magnetisch vermittelte Lochpaarung in fermionischen Leitern ultrakalter Atome, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05437-y