Mysteriös und doch hocheffektiv in der Supraleitung bei hohen Temperaturen: Wie Elektronen Strom in “schlechten Metallen” supraleitend transportieren.

0

Schlecht’ und mysteriös, aber hochwirksam bei der Supraleitung bei hohen Temperaturen; auch wenn sich diese Materialien erwartungsgemäß nicht so verhalten sollten; neue Forschungen erklären, warum; Vereinbarkeit von Theorie und Experimenten.

Im Jargon werden sie “schlechte Metalle” genannt, aber sie sind nicht wirklich so schlecht. In der Tat sind sie die besten Supraleiter, weil sie in der Lage sind, Strom mit höchster Effizienz und ohne Widerstand bis zu hohen Temperaturen zu leiten. Dies ist experimentell nachgewiesen worden.

Doch ihr Verhalten bleibt ein Rätsel. Die abstossenden Kräfte zwischen den Elektronen in diesen Materialien sind viel stärker als in Niedrigtemperatur-Supraleitern: Wie überwinden also Teilchen mit derselben Ladung diese Kräfte und schaffen es, sich zu paaren und Strom zu transportieren, wie es in “traditionellen” Supraleitern geschieht?

Ein Forscherteam der SISSA in Triest hat in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Wien eine mögliche, überraschende Antwort gefunden.

Gemäss der in Physical Review Letters veröffentlichten Studie würden sich in diesen Materialien die Elektronen in neue “Objekte” verwandeln, mit einem noch nie da gewesenen Charakter, der es ihnen erlauben würde, sich zu paaren und dadurch den Strom zu supraleiten. In ihrer Forschung zeigten die Forscher auch die Besonderheit eines neuen Typs von “Bösen Metallen”, der “Hundertmetalle” genannt wird und für eine Klasse von Materialien auf Eisenbasis wichtig ist. Die Wissenschaftler glauben, dass diese Materialien besonders interessant sind, weil sie supraleitend und ziemlich formbar sind, was sie für technologische Anwendungen sehr geeignet macht.

Niedrig-Temperatur-Supraleiter

“Supraleiter sind interessante Materialien, denn sie verbergen viele Rätsel, die ungelöst bleiben, und gleichzeitig bieten sie ein unglaubliches Anwendungspotenzial”, erklären Laura Fanfarillo, Angelo Valli und Massimo Capone, die Autoren der Forschung. Es handelt sich um chemische Verbindungen, die unterhalb einer kritischen Temperatur Elektrizität ohne Widerstand, also ohne Wärmeableitung, leiten. Es ist leicht, sich ihr Potenzial im technologischen Bereich vorzustellen. Wäre es nicht so, dass für viele von ihnen, die so genannten “Niedrigtemperatur-Supraleiter”, die Supraleitung bei Temperaturen sehr nahe am absoluten Nullpunkt auftritt, was ihre Anwendung kompliziert und sehr kostspielig macht. Es gibt jedoch auch Hochtemperatursupraleiter, wie z.B. schlechte Metalle, deren kritische Temperatur zwar weit unter Null liegt, aber eine viel weniger komplizierte und teure Kühlung erfordert. Aus diesem Grund gelten diese Materialien als die interessantesten Supraleiter, die es zu erforschen gilt, um Licht auf die physikalischen Eigenschaften zu werfen, die sie so besonders machen.

“Und doch bewegen sie sich (gemeinsam)”

Die Forscher erklären: “Bei Niedrigtemperatur-Supraleitern wissen wir, dass die Supraleitung das Ergebnis der Paarung von Elektronen ist, die die Abstoßung aufgrund ihrer negativen Ladung dank eines “Vermittlers” überwinden. Einmal in Paaren organisiert, beginnen die Elektronen, sich kohärent zu bewegen und elektrischen Strom zu transportieren, ohne auf Widerstand zu stoßen. Bei schlechten Metallen ist die Coulomb-Abstoßung, der die Elektronen ausgesetzt sind, viel stärker als bei herkömmlichen Metallen. Diese Abstossung sollte theoretisch die Bildung dieser Paare und den Transport des Superstroms noch entschiedener verhindern”. An dieser Stelle stellt sich die Frage: “Da wir wissen, dass die Paarung zwischen den Elektronen der Mechanismus ist, der der Supraleitung zugrunde liegt, und dass es zumindest in diesem Fall einen Vermittler gibt, bleibt zu verstehen, wie schlecht Metalle so gute Supraleiter sind. Mit unseren Berechnungen haben wir versucht, Licht in dieses faszinierende Rätsel zu bringen”.

Quasiteilchen zur Leitung von Elektrizität

Was die Wissenschaftler entdeckten, ist, dass es genau die Eigenschaften sind, die sie bei oberflächlicher Betrachtung zu den schlechtesten Kandidaten machen würden, die diese Materialien zu so leistungsstarken Supraleitern machen. In diesen Materialien verwandeln sich die Elektronen in eigentümliche “Quasiteilchen”, deren Eigenschaften eigentlich viel kompatibler mit der Paarung sind und damit ihr experimentelles Verhalten rechtfertigen. Doch damit ist es nicht getan: “In dieser Arbeit haben wir auch gezeigt, dass ein neuer Typ eines schlechten Metalls, das sich durch eine eigentümliche Art der Abstossung auszeichnet, das so genannte “Hund’sche Metall”, interessante Perspektiven auf dem Gebiet der Supraleitung eröffnet.

“Unsere Ergebnisse”, so die Schlussfolgerung der Wissenschaftler, “erklären präzise und elegant eine Menge experimenteller Beweise in der Klasse der Eisen-Supraleiter, einer relativ neuen Art von Material, das 2008 entdeckt wurde, dessen beispiellose Eigenschaften aber noch immer ein Untersuchungsfeld voller Fragen für die Wissenschaftler sind”.

Referenz: “Synergie zwischen hundertgetriebenen Korrelationen und Boson-vermittelter Supraleitung” von Laura Fanfarillo, Angelo Valli und Massimo Capone, 21. Oktober 2020, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.177001.

Share.

Leave A Reply