Materialien, die bei hohen Temperaturen supraleitende Eigenschaften aufweisen, sogenannte Hochtemperatur-Supraleiter, standen in jüngster Zeit im Fokus zahlreicher Studien, da sie zur Entwicklung neuer Technologien verwendet werden können, die bei höheren Temperaturen gute Leistungen erbringen. Obwohl die Hochtemperatur-Supraleitung bereits umfassend untersucht wurde, ist ihre zugrundeliegende Physik noch nicht vollständig verstanden.
Ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung ist die Identifizierung geordneter Phasen von Hochtemperatur-Supraleitern und ihrer zugrundeliegenden Symmetrien. Denn Phasenübergänge in diesen Materialien könnten letztlich mit ihrer Supraleitung zusammenhängen.
Forscher der Seoul National University in Korea haben kürzlich eine Studie durchgeführt, in der sie Phasen und verwandte Symmetrien im Cupratmaterial (Bi,Pb)2Sr2CaCu2O8+ untersuchten.δIhre Erkenntnisse, veröffentlicht In Naturphysikenthüllte eine Fermiflüssigkeits-ähnliche Phase, die in diesem Material jenseits der kritischen Dotierung auftritt und durch eine gebrochene Spiegelsymmetrie gekennzeichnet ist.
„Vor etwa vier Jahren suchten wir nach einem geeigneten Experiment für unsere neue Ausrüstung namens Rotationsanisotropie-Erzeugung der zweiten Harmonischen (RA-SHG), eine sehr empfindliche Technik, die sich zu einem wichtigen experimentellen Werkzeug entwickelt hat“, sagte Changyoung Kim, Co-Autor des Artikels, gegenüber Phys.org.
„Es gab einige Hinweise darauf, dass es in einem Bereich des Phasendiagramms von Kupferoxid oder Kuprat-Supraleitern, dem sogenannten überdotierten Bereich, eine neue Phase geben könnte. Unser Instinkt setzte ein und wir erkannten, dass SHG ein geeignetes Werkzeug ist, um nach solchen Phasen zu suchen.“
Die Supraleitfähigkeit in Kuprat-Supraleitern kann durch eine als Dotierung bekannte Technik moduliert werden. Dabei werden einem Material Verunreinigungen oder andere Elemente hinzugefügt, um dessen Eigenschaften zu verändern.
Mit diesem Verfahren können Forscher gezielt Supraleiter, Metalle oder Isolatoren herstellen. Der Dotierungsgrad, bei dem Supraleitung bei höchster Temperatur erreicht werden kann, liegt bei etwa 0,15, alles darüber gilt als „Überdotierung“.
Jüngste Studien haben gezeigt, dass überdotierte Cuprat-Supraleiter eine neue Phase aufweisen können. Kim und seine Kollegen wollten diese Phase mithilfe von bleidotierten Supraleitern untersuchen, die sie zuvor in ihren Labors synthetisiert hatten.
„Symmetrien verraten uns viel über die Natur“, erklärte Kim. „Daher ist das Herausfinden von Symmetrien ein wichtiger Schritt in der Physikforschung. Manchmal können Symmetrien jedoch subtil (oder manchmal versteckt) sein, und daher kann es ziemlich schwierig sein, Symmetrien (oder gebrochene Symmetrien) zu identifizieren. SHG ist eine Technik, mit der wir Symmetrien oder deren Bruch auf die empfindlichste Weise erkennen können.“
Mithilfe des in ihrem Labor entwickelten RA-SHG führten die Forscher eine Reihe von Tests an (Bi,Pb)2Sr2CaCu2O8+ durch.δ Proben, die über die kritische Dotierung hinaus dotiert wurden. Kritische Dotierung ist ein Zustand, in dem die Konzentration der in ein Material eingebrachten Dotierstoffe einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, ab dem das Material andere physikalische Eigenschaften aufweist.
„In der Physik gibt es etwas, das man Quantenphasenübergang nennt, einen Phasenübergang, der bei null Kelvin (absoluter Nulltemperatur) stattfindet“, erklärte Kim. „Der Punkt, an dem der Phasenübergang bei 0 K stattfindet, wird als quantenkritischer Punkt bezeichnet. Man geht davon aus, dass die Hochtemperatur-Supraleitung mit diesem quantenkritischen Punkt zusammenhängt.
„Bei Kuprat-Supraleitern liegt die kritische Dotierung bei etwa 0,19 und unsere Experimente wurden an Proben durchgeführt, die diesen Wert überschritten.“
Die Forscher entdeckten in ihrer Kupratprobe eine gebrochene Spiegelsymmetrie, und zwar in einer Fermiflüssigkeits-ähnlichen Phase, die jenseits der kritischen Dotierung auftrat. Die Temperatur, bei der diese Phase beobachtet wurde, stimmte mit der Temperatur überein, bei der seltsame Metalle typischerweise in Fermiflüssigkeits-ähnliche Metalle übergehen.
„Symmetrien enthalten wichtige Informationen und man erwartet, dass diese Informationen uns zum mikroskopischen Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung führen können“, sagte Kim. „Deshalb war die Identifizierung von Phasen und ihren Symmetrien das Herzstück der Forschung zu Cuprat-Supraleitern.“
„Bei unserer Arbeit haben wir eine neue Phase und ihre Symmetrie im Phasendiagramm gefunden. Die Symmetrie der neuen Phase kann uns helfen, die Phase zu identifizieren, was uns wiederum mehr Informationen darüber liefern kann, wie ein Elektron mit anderen Elektronen oder seiner Umgebung interagiert.“
Die im Rahmen dieser aktuellen Studie entdeckte neue Phase könnte bald mit verschiedenen anderen experimentellen Techniken weiter untersucht werden. Kim und seine Kollegen hoffen, dass sowohl ihre aktuellen als auch künftigen Studien zum Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung beitragen werden.
„Obwohl unsere Arbeit stark darauf hindeutet, dass es eine neue Phase gibt, ist es auch wichtig, dies mit anderen experimentellen Techniken zu überprüfen“, fügte Kim hinzu. „Experimente mit anderen Techniken sind im Gange. Insbesondere hoffen wir, die neue Phase zu identifizieren (SHG sagt uns, welche Art von Symmetrien die neue Phase hat, aber nicht, was sie ist). Wir planen auch, in Zusammenarbeit mit einer Theoriegruppe theoretische Untersuchungen durchzuführen.“
Weitere Informationen:
Saegyeol Jung et al, Spontaner Bruch der Spiegelsymmetrie in einem Kuprat jenseits der kritischen Dotierung, Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02601-1
Alessandra Milloch et al, Neue Ordnung im Kupferoxid-Phasendiagramm, Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02602-0
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