Seltsame „Singularitäten“, die für eine exotische Art von Supraleitung verantwortlich sind

Supraleiter, die bei Temperaturen arbeiten, die weit über dem absoluten Nullpunkt liegen, haben Wissenschaftler seit ihrer Entdeckung verwirrt. Eine neue Theorie könnte das ändern.

Physiker haben einen mysteriösen Mechanismus entdeckt, der für die Hochtemperatur-Supraleitung verantwortlich ist, und er könnte bei der Suche nach einem der „heiligen Grale“ der Physik hilfreich sein.

Die neue Entdeckung, bekannt als oszillierende Supraleitung, identifiziert einen Prozess, der es Materialien ermöglicht, bei viel höheren Temperaturen als normal zu supraleiten – und ebnet damit den Weg für die Entdeckung von bei Raumtemperatur supraleitenden Materialien, die eine nahezu verlustfreie Energieübertragung ermöglichen könnten. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse am 11. Juli in der Zeitschrift Physical Review Letters.

„Einer der heiligen Grale der Physik ist die Supraleitung bei Raumtemperatur, die für alltägliche Anwendungen praktisch genug ist“, sagte Luiz Santos, Assistenzprofessor für Physik an der Emory University, in einer Erklärung. „Dieser Durchbruch könnte die Form der Zivilisation verändern.“

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Supraleitung entsteht durch die Wellen, die Elektronen erzeugen, wenn sie sich durch ein Material bewegen. Bei ausreichend niedrigen Temperaturen führen diese Wellen dazu, dass Atomkerne zueinander hingezogen werden, was wiederum zu einem leichten Ladungsversatz führt, der ein zweites Elektron zum ersten anzieht.

Die Kraft dieser Anziehung bewirkt, dass etwas Seltsames geschieht: Anstatt sich gegenseitig durch die Kraft der elektrostatischen Abstoßung abzustoßen, verbinden sich die Elektronen zu einem „Cooper-Paar“.

Cooper-Paare folgen anderen quantenmechanischen Regeln als die einsamer Elektronen. Anstatt sich zu Energiehüllen zu stapeln, wirken sie wie Lichtteilchen, von denen unendlich viele gleichzeitig denselben Punkt im Raum besetzen können. Wenn in einem Material genügend dieser Cooper-Paare erzeugt werden, werden sie zu einem Suprafluid, das ohne Energieverlust durch elektrischen Widerstand fließt.

Die ersten Supraleiter, die 1911 von der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes entdeckt wurden, gingen bei unvorstellbar kalten Temperaturen – nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 459,67 Grad Fahrenheit oder minus 273,15 Grad Celsius) – in diesen Zustand mit einem elektrischen Widerstand von Null über. Doch 1986 fanden Physiker eine andere Art von Material, ein sogenanntes Kuprat, das bei viel wärmeren (aber immer noch sehr kalten) minus 211 F (minus 135 °C) zum Supraleiter wird.

Die Physiker hofften, dass diese Entdeckung zur Entdeckung von Raumtemperatur-Supraleitern führen würde, die die Tür für eine nahezu verlustfreie Übertragung von Elektrizität öffnen würden. Doch die Entdeckungen blieben im Sande, und die jüngsten Behauptungen über Raumtemperatur-Supraleiter endeten in einem Skandal und einer Enttäuschung.

Dass es bislang nicht gelungen ist, bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck arbeitende Supraleiter zu finden, ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass die Physiker die theoretischen Bedingungen nicht verstanden haben, unter denen Elektronen bei relativ hohen Temperaturen (ungefähr dreimal so niedrig wie in einem Standard-Gefrierschrank) Cooper-Paare bilden können Temperatur).

Um dies zu untersuchen, konzentrierten sich die Forscher hinter der neuen Studie auf eine besondere Form der Hochtemperatursupraleitung, die entsteht, wenn sich Cooper-Paare in oszillierenden Mustern anordnen, die als Ladungsdichtewellen bekannt sind. Die Beziehung zwischen den Wellen, eine Art massensynchronisierter Tanz zwischen gepaarten Elektronen über ein Material, hat einen komplexen Zusammenhang mit der Supraleitung: In manchen Fällen übertönen die Wellen den Effekt, während sie in anderen Fällen dazu beitragen, Elektronen zusammenzukleben.

Durch die Modellierung dieser Wellen fanden die Physiker heraus, dass der Schlüssel zur Entstehung der Wellen wahrscheinlich eine Eigenschaft war, die als Van-Hove-Singularität bekannt ist. Normalerweise hängt in der Physik die Energie eines sich bewegenden Teilchens eher intuitiv von der Geschwindigkeit ab, mit der es sich bewegt.

Einige Materialstrukturen verstoßen jedoch gegen diese Regel und ermöglichen die Existenz von Elektronen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bei gleichen Energien. Wenn die Energien aller Elektronen gleich sind, können sie leichter interagieren und sich zu tanzenden Cooper-Paaren zusammenschließen.

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„Wir haben entdeckt, dass Strukturen, die als Van-Hove-Singularitäten bekannt sind, modulierende, oszillierende Zustände der Supraleitung erzeugen können“, sagte Santos. „Unsere Arbeit liefert einen neuen theoretischen Rahmen zum Verständnis der Entstehung dieses Verhaltens, eines Phänomens, das noch nicht gut verstanden ist.“

Die Physiker betonten, dass ihre Arbeit bisher rein theoretisch sei und daher weitere experimentelle Anstrengungen erforderlich seien, um den zugrunde liegenden Mechanismus zu konkretisieren. Sie hoffen jedoch, dass sie durch die Schaffung einer Grundlage zwischen Van-Hove-Singularitäten und tanzenden Wellen eine Verbindung gefunden haben, auf der andere Physiker aufbauen können.

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

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Ben Turner ist ein in Großbritannien ansässiger Mitarbeiter bei Live Science. Er befasst sich unter anderem mit Physik und Astronomie, etwa mit seltsamen Tieren und dem Klimawandel. Er schloss sein Studium der Teilchenphysik am University College London ab und absolvierte anschließend eine Ausbildung zum Journalisten. Wenn er nicht schreibt, liest Ben gerne Literatur, spielt Gitarre und blamiert sich mit Schach.

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