Physiker eröffnen einen neuen Weg zu einer seltsamen Form der Supraleitung

Die Forscher veröffentlichten einen neuen theoretischen Rahmen.

Physiker haben einen Mechanismus identifiziert, der für die Erzeugung oszillierender Supraleiter, sogenannte Dichtepaarwellen, verantwortlich ist. Die Ergebnisse, die einen atypischen Zustand hoher Supraleitung hervorheben, der bei bestimmten Materialien wie Hochtemperatursupraleitern beobachtet wird, werden in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.

„Wir haben entdeckt, dass Strukturen, die als Van-Hove-Singularitäten bekannt sind, modifizierte, oszillierende Zustände der Supraleitung erzeugen können“, sagt Louise Santos, Assistenzprofessorin für Physik an der Emory University und leitende Autorin der Studie. „Unsere Arbeit liefert einen neuen theoretischen Rahmen zum Verständnis der Entstehung dieses Verhaltens, eines Phänomens, das noch nicht gut verstanden ist.“

Der Erstautor der Studie ist Pedro Castro, ein Doktorand der Physik aus Emory. Co-Autoren sind Daniel Shaffer, Postdoktorand in der Santos-Gruppe, und Yi-Ming Wu von der Stanford University.

Santos ist ein theoretischer Wissenschaftler, der sich auf die Physik der kondensierten Materie spezialisiert hat. Es untersucht die Wechselwirkungen von Quantenmaterie – kleinen Dingen wie Atomen, Photonen und Elektronen –, die sich nicht gemäß den Gesetzen der klassischen Physik verhalten.

Ein Beispiel für interessantes Quantenverhalten ist die Supraleitung, also die Fähigkeit einiger Materialien, Elektrizität zu leiten, ohne Energie zu verlieren, wenn sie auf eine extrem niedrige Temperatur abgekühlt wird. Dieses Phänomen wurde 1911 entdeckt, als die niederländische Physikerin Heike Kamerling Onnes zeigte, dass Quecksilber seinen elektrischen Widerstand verliert, wenn es auf 4 Kelvin oder minus 371 Grad abgekühlt wird. F. Hier geht es um eine Temperatur Uranusder kälteste Planet im Sonnensystem.

Es dauerte bis 1957, bis Wissenschaftler eine Erklärung dafür fanden, wie und warum Supraleitung entsteht. Bei normalen Temperaturen wandern Elektronen mehr oder weniger unabhängig voneinander. Sie kollidieren mit anderen Teilchen, wodurch diese ihre Geschwindigkeit und Richtung ändern und Energie abbauen. Bei niedrigeren Temperaturen können sich Elektronen jedoch in einem neuen Materiezustand organisieren.

Louise Santos, Assistenzprofessorin für Physik an der Emory University, ist die Hauptautorin der Studie. Bildnachweis: Emory University

„Sie bilden Paare, die in einem kollektiven Zustand miteinander verbunden sind und wie eine Einheit wirken“, erklärt Santos. „Man kann sie sich wie Soldaten einer Armee vorstellen. Wenn sie sich isoliert bewegen, kann man sie leicht ablenken. Aber wenn sie gemeinsam in gleichmäßigem Tempo gehen, ist es sehr schwierig, sie zu destabilisieren. Dieser kollektive Zustand trägt die Strömung hinein.“ eine kraftvolle Art.“

Supraleitung birgt enormes Potenzial. Theoretisch könnte dadurch elektrischer Strom durch die Drähte fließen, ohne dass diese sich erwärmen oder Energie verlieren. Diese Drähte können dann viel mehr Strom transportieren, und das mit viel höherer Effizienz.

„Eines der großen Heiligtümer der Physik ist die Supraleitung bei Raumtemperatur, die für alltägliche Anwendungen praktisch genug ist“, sagt Santos. „Dieser Durchbruch könnte die Form der Zivilisation verändern.“

Viele Physiker und Ingenieure arbeiten an vorderster Front daran, die Übertragung von Elektrizität zu revolutionieren.

Mittlerweile hat die Supraleitung bereits Anwendung gefunden. Supraleitende Spulen werden mit der magnetischen Energie betrieben, die in Magnetresonanztomographen (MRT) für die medizinische Diagnose verwendet wird. Mittlerweile gibt es weltweit eine Handvoll Magnetschwebebahnen, die auf supraleitenden Magneten basieren, die zehnmal stärker sind als gewöhnliche Elektromagnete. Wenn sich die identischen Pole gegenüberstehen, stoßen sich die Magnete ab und erzeugen so ein Magnetfeld, das den Zug anheben und vorantreiben kann.

Der Large Hadron Collider, ein Teilchenbeschleuniger, mit dem Wissenschaftler die Grundstruktur des Universums erforschen, ist ein weiteres Beispiel für Technologie, die auf Supraleitung basiert.

Supraleitung wird weiterhin in immer mehr Materialien entdeckt, darunter auch in vielen, die bei höheren Temperaturen supraleitend sind.

Ein Schwerpunkt von Santos‘ Forschung ist die Frage, wie Wechselwirkungen zwischen Elektronen zu Formen der Supraleitung führen können, die nicht mit der Beschreibung der Supraleitung von 1957 erklärt werden können. Ein Beispiel für ein sogenanntes exotisches Phänomen ist die oszillierende Supraleitung, wenn gepaarte Elektronen in Wellen tanzen und dabei die Kapazität ändern .

In einem unabhängigen Projekt bat Santos Castro, bestimmte Eigenschaften von Van-Hove-Singularitäten zu untersuchen, Strukturen, in denen viele elektronische Zustände energetisch nahe beieinander liegen. Das Castro-Projekt zeigte, dass Singularitäten offenbar über die richtige Physik verfügen, um oszillierende Supraleiter zu keimen.

Das veranlasste Santos und seine Mitarbeiter, tiefer zu graben. Sie haben einen Mechanismus entdeckt, der es ermöglichen würde, dass aus Van-Hove-Singularitäten tanzende Wellenzustände der Supraleitung entstehen.

„Als theoretische Physiker wollen wir Verhalten vorhersagen und klassifizieren können, um zu verstehen, wie die Natur funktioniert“, sagt Santos. „Dann können wir anfangen, die relevanten Technologiefragen zu stellen.“

Einige Hochtemperatur-Supraleiter – die bei Temperaturen betrieben werden, die dreimal kälter sind als in einem heimischen Gefrierschrank – weisen dieses tanzende Wellenverhalten auf. Herauszufinden, wie dieses Verhalten aus Van-Hove-Singularitäten hervorgeht, bietet Experimentatoren eine Grundlage für die Erkundung der Welt der Möglichkeiten, die es bietet.

„Ich bezweifle, dass Kamerlingh Onnes an Levitationen oder Teilchenbeschleuniger dachte, als er die Supraleitung entdeckte“, sagt Santos. „Aber alles, was wir über die Welt lernen, hat potenzielle Anwendungsmöglichkeiten.“

Referenz: „Die Entstehung supergeladener Chern-Wellen und Paardichte durch Van-Hove-Singularitäten höherer Ordnung im Haldane-Hubbard-Modell“ von Pedro Castro, Daniel Shaffer, Ye-Ming Wu und Louise H. Santos, 11. Juli 2023, hier verfügbar . Briefe zur körperlichen Untersuchung.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.026601

Die Arbeit wurde vom Office of Basic Energy Sciences des US-Energieministeriums finanziert.