Soll neue Wege öffnen: Exotische Form der Supraleitung entdeckt

Ein Forschungsteam hat eine exotische Form der Elektronenbewegung in einem metallischen Supraleiter entdeckt. Diese könnte Hinweise darauf geben, wie sich Strom auch unter weniger optimalen Bedingungen verlustfrei übertragen lässt.

Leitung unterm Mikroskop

Die Ergebnisse der unter Leitung der University of Illinois Urbana-Champaign durchgeführten Untersuchung wurden in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht. Im Mittelpunkt stehen sogenannte Paar-Dichte-Wellen (Pair Density Waves, PDWs). Dabei ordnen sich Elektronenpaare in einem periodischen Muster an, das sich durch das Material zieht. Theoretische Arbeiten hatten die Existenz solcher Zustände bereits 2007 vorhergesagt.

Voraussetzung für den verlustfreien Stromtransport sind bei herkömmlichen Supraleitern sehr niedrige Temperaturen. In diesem Zustand verbinden sich freie Elektronen zu sogenannten Cooper-Paaren, die sich gemeinsam durch das Material bewegen können, ohne den üblichen elektrischen Widerstand zu erfahren.


Uran-Ditellurid wird bei Temperaturen unterhalb von etwa 2,1 Kelvin supraleitend. Das entspricht rund minus 271 Grad Celsius. Das Material gilt zudem als möglicher Vertreter einer seltenen Klasse von Supraleitern, bei denen die Elektronenpaare eine besondere magnetische Orientierung aufweisen.

Für ihre Untersuchung nutzten die Wissenschaftler eine besonders hochwertige Probe des Materials und ein speziell entwickeltes Rastertunnelmikroskop mit einem variabel ausrichtbaren Magnetfeld. Damit konnten sie untersuchen, wie sich die beobachteten Elektronenmuster bei unterschiedlichen Temperaturen und Magnetfeldstärken verändern. Die Messungen lieferten Signaturen, die mit den theoretischen Vorhersagen für Paar-Dichte-Wellen übereinstimmen.

Grundlage für bessere Supraleiter

Es zeigte sich, dass die Muster auch oberhalb der kritischen Temperatur erhalten blieben. Das bedeutet jedoch nicht, dass das Material bei diesen höheren Temperaturen weiterhin als Ganzes supraleitend ist. Vielmehr deutet der Befund darauf hin, dass bestimmte Eigenschaften der Elektronenpaare bereits vor dem eigentlichen Übergang in den supraleitenden Zustand auftreten oder darüber hinaus bestehen bleiben können.

Die Ergebnisse der Arbeit sollen helfen, die Entstehung und das Verhalten von Cooper-Paaren besser zu verstehen. Offen bleibt unter anderem, wie sich Paar-Dichte-Wellen von sogenannten Ladungsdichte-Wellen unterscheiden und wie beide Zustände zusammenhängen. Eine genauere Klärung dieser Zusammenhänge könnte wichtige Grundlagen für die Suche nach Supraleitern schaffen, die bei deutlich höheren Temperaturen funktionieren. Das würde ihren Einsatz in Stromnetzen, Computern und Verkehrssystemen erleichtern.

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