Studie identifiziert Mechanismus, der Elektronenpaare in unkonventionellen Supraleitern zusammenhält

Je nach gewählter Perspektive kann eine theoretische Berechnung die beobachtete Physik mehr oder weniger genau beschreiben. Bereits 2015 haben Alessandro Toschi vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien und sein Team im Rahmen einer internationalen Kooperation eine theoretische Methode entwickelt, mit der sich die beste Betrachtungsweise für ungelöste Fragen der Festkörperphysik bestimmen lässt.

Seitdem hat das Forscherteam diese Diagnosemethode weiterentwickelt und kürzlich zusammen mit Forschern der University of Michigan in Ann Arbor und dem Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart auf unkonventionelle Supraleiter angewendet. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher kürzlich in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Die Idee hinter dieser Methode lässt sich am besten anhand einer Analogie veranschaulichen: In der klassischen Mechanik gibt es mehrere Möglichkeiten, die Bewegung von Himmelskörpern zu beschreiben. Betrachtet man beispielsweise die Erde als Mittelpunkt des Sonnensystems, wird die Beschreibung schnell unübersichtlich und kompliziert. Aber wenn wir die Sonne ins Zentrum des Modells stellen, wird die theoretische Beschreibung viel eleganter und aussagekräftiger.

Ähnlich verhält es sich mit den verschiedenen konkurrierenden Mechanismen, die die Physik unkonventioneller Supraleiter antreiben. Ihr elektrischer Widerstand sinkt – ebenso wie bei herkömmlichen Supraleitern – unterhalb eines bestimmten Temperaturniveaus schlagartig auf Null, wodurch Strom verlustfrei geleitet und gespeichert werden kann. Um diesen besonderen Zustand zu realisieren, müssen sich die Elektronen des Festkörpers trotz gegenseitiger Abstoßung paarweise binden. Dieses rein quantenphysikalische Phänomen kann durch verschiedene Mechanismen ausgelöst werden. Während bei konventionellen Supraleitern die Wechselwirkung zwischen den Elektronen und den atomaren Schwingungen eine zentrale Rolle spielt, ist dieser Effekt bei unkonventionellen Supraleitern meist vernachlässigbar. Hier ist die abstoßende Wechselwirkung zwischen den Elektronen von größerer Bedeutung.

Theorie und Praxis

Lange war jedoch umstritten, durch welchen mikroskopischen Mechanismus diese Abstoßung zwischen den Elektronen überwunden wird und sich so Paare bilden können – der sogenannte „Paarungskleber“, wie Alessandro Toschi erklärt. Insbesondere stellt sich die Frage, welche Art von Fluktuation (z. B. Spin oder Ladung) die Elektronenpaare in unkonventionellen Supraleitern zusammenhält. „Die Kollegen von der University of Michigan wollten daher ihre Ergebnisse für eine Berechnung, die für die Stoffklasse der Cuprate gedacht ist, mit unserer Diagnosemethode analysieren“, berichtet Toschi. Diese unkonventionellen Supraleiter, deren Kristallstruktur Kupferanionen enthält, wurden bereits 1986 entdeckt und stellen seitdem die Physik vor Rätsel.

Die zentrale Frage, die die Forscher beantworten wollten, ist, in welcher Formulierung die Physik der unkonventionellen Supraleitung am transparentesten ist. Dies entspricht der Identifizierung, welche Schwankungen für die Elektronenpaarbindung verantwortlich sind. „Endlich konnten wir zeigen, dass die (antiferromagnetischen) Spinfluktuationen hinter der Physik unkonventioneller Supraleiter stecken. Ändert man hingegen die Perspektive und konzentriert man sich auf die Ladungsfluktuationen, erhält man eine unscharfe und im Grunde nutzlose Darstellung der zugrunde liegenden Physik“, sagt Alessandro Toschi. Um bei der Sonnensystem-Analogie zu bleiben, entsprechen die Spinfluktuationen also demjenigen Bezugssystem, in dem die Sonne im Mittelpunkt steht.

Während in der vorliegenden Studie ausschließlich Cuprate untersucht wurden, lassen sich diese Ergebnisse höchstwahrscheinlich auch auf die Materialklasse der Nickelate übertragen, die wie die Cuprate zur Klasse der unkonventionellen Supraleiter gehören.

Das Rätsel ist gelöst

Mit diesem Ergebnis trägt das Forscherteam nicht nur zum besseren Verständnis des Mechanismus unkonventioneller Supraleiter bei. Die Erkenntnis, dass Spinfluktuationen der entscheidende Faktor sind, ermöglicht es auch, künftige theoretische Berechnungen zu vereinfachen und damit genauere Vorhersagen zu ermöglichen. „Früher war unsere Methode nur ein theoretisches Werkzeug. Durch den praktischen Bezug hat sich die Methode zu einer der wichtigsten Anwendungen für ein Problem entwickelt, das die Wissenschaftsgemeinschaft seit fast 40 Jahren zu lösen versucht“, resümiert Alessandro Toschi . „Unser Diagnosetool liefert eindeutige Antworten auf bisher offene Fragen.“

Aber auch die Gesellschaft kann von den grundlegenden Erkenntnissen profitieren – perspektivisch betrachtet. Wenn Supraleiter künftig bei höheren Temperaturen und Normaldruck eingesetzt werden können, könnten sie dazu beitragen, das Problem der Energiespeicherung zu lösen, das ein limitierender Faktor bei der Nutzung erneuerbarer Energien ist.