Neuer Supraleitungs-Zustand endlich experimentell bewiesen

Physiker haben eine neue Form der Supraleitung entdeckt. Bei dieser kann man mit einer größeren Energielücke arbeiten. Aus den Erkenntnissen der Arbeit könnten verbesserte praktische Anwendungen des widerstandsfreien Stromtransports entstehen.

Auf kleinster Ebene

In herkömmlichen Metallen kollidieren Elektronen mit Atomen, wodurch Energie verloren geht und elektrischer Widerstand entsteht. In Supraleitern hingegen bilden Elektronen Paare, sogenannte Cooper-Paare, die sich verlustfrei bewegen. Diese Supraleitung bleibt stabil, solange die Elektronen innerhalb eines bestimmten Energiebereichs, der sogenannten Energielücke, verbleiben.

Normalerweise ist diese Energielücke innerhalb eines Supraleiters homogen. Doch bereits in den 1960er-Jahren wurde theoretisiert, dass sie sich in manchen Materialien räumlich verändern könnte. In den 2000er-Jahren wurde das Konzept der "Pair-Density-Wave" (PDW)-Zustände entwickelt, bei denen die Supraleitung mit einer längeren Wellenlänge schwankt.


Das Team von Nadj-Perge untersuchte nun extrem dünne Flocken eines eisenbasierten Supraleiters, FeTe0.55Se0.45, und stellte fest, dass die Supraleitungsenergie mit der kleinsten möglichen Wellenlänge schwankt, die den Atomabständen im Kristall entspricht. Diesen neuartigen Zustand nannten sie "Cooper-Paar-Dichte-Modulation" (PDM).

"Die beobachtete Modulation der Energielücke von bis zu 40 Prozent ist die bislang stärkste und liefert den klarsten experimentellen Beweis dafür, dass eine solche Modulation auch auf atomarer Ebene existieren kann", erklärt Lingyuan Kong, Hauptautor der Studie, die in Nature veröffentlicht wurde.

Endlich Reinheit

Mithilfe eines speziell entwickelten Versuchsaufbaus gelang es dem Team erstmals, Eisen-Supraleiter mit Rastertunnelmikroskopie zu untersuchen. Diese Experimente waren zuvor über zwei Jahrzehnte hinweg durch Verunreinigungen der Oberfläche kaum möglich. Das hat sich aber geändert.

Ergänzend entwickelten die Physiker Michał Papaj von der University of Houston und Patrick A. Lee vom MIT ein theoretisches Modell, das die beobachtete Modulation erklärt. Demnach könnte die PDM-Struktur durch eine Symmetriebrechung innerhalb des Kristallgitters der dünnen Flocken entstehen. Diese Entdeckung liefert einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis der Supraleitung und könnte langfristig die Suche nach Materialien voranbringen, die bei höheren Temperaturen supraleitend sind als heutige Systeme.


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