Forscher der Chalmers University of Technology, Schweden, haben ein auffälliges neues Verhalten des “seltsamen Metallzustands” von Hochtemperatursupraleitern entdeckt. Die Entdeckung ist ein wichtiges Puzzleteil für das Verständnis dieser Materialien. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Die Supraleitung, bei der elektrischer Strom ohne Verluste transportiert wird, birgt ein enormes Potenzial für umweltfreundliche Technologien. Wenn sie beispielsweise bei ausreichend hohen Temperaturen funktioniert, könnte sie den verlustfreien Transport von erneuerbarer Energie über große Entfernungen ermöglichen. Die Erforschung dieses Phänomens ist das Ziel des Forschungsgebiets der Hochtemperatursupraleitung. Der derzeitige Rekord liegt bei -130 Grad Celsius, was vielleicht nicht wie eine hohe Temperatur erscheint, aber im Vergleich zu Standardsupraleitern, die nur bei Temperaturen unter -230 Grad Celsius funktionieren, ist es eine hohe Temperatur. Während die Standardsupraleitung gut verstanden ist, sind verschiedene Aspekte der Hochtemperatursupraleitung noch ein Rätsel, das es zu lösen gilt. Die neu veröffentlichte Forschungsarbeit konzentriert sich auf die am wenigsten erforschte Eigenschaft – den so genannten “seltsamen Metall”-Zustand, der bei Temperaturen auftritt, die höher sind als diejenigen, die Supraleitung ermöglichen.

“Dieser ‘seltsame Metall’-Zustand ist treffend benannt. Die Materialien verhalten sich wirklich sehr ungewöhnlich, und es ist ein Rätsel für die Forscher. Unsere Arbeit bietet nun ein neues Verständnis des Phänomens. Durch neuartige Experimente haben wir entscheidende neue Informationen darüber gewonnen, wie der seltsame Metallzustand funktioniert.”

– Floriana Lombardi, Professorin am Labor für Quantenphysik

Vermutlich beruht er auf Quantenverschränkung

Der seltsame Metallzustand erhielt seinen Namen, weil sein Verhalten beim Leiten von Elektrizität auf den ersten Blick viel zu einfach ist. In einem gewöhnlichen Metall wirken sich viele verschiedene Prozesse auf den elektrischen Widerstand aus – Elektronen können mit dem Atomgitter, mit Verunreinigungen oder mit sich selbst kollidieren, und jeder Prozess hat eine andere Temperaturabhängigkeit. Dies bedeutet, dass der resultierende Gesamtwiderstand eine komplizierte Funktion der Temperatur ist. In krassem Gegensatz dazu ist der Widerstand bei Fremdmetallen eine lineare Funktion der Temperatur, d. h. eine gerade Linie von den niedrigsten erreichbaren Temperaturen bis zu dem Punkt, an dem das Material schmilzt.

“Ein so einfaches Verhalten verlangt nach einer einfachen Erklärung, die auf einem mächtigen Prinzip beruht, und für diese Art von Quantenmaterialien wird angenommen, dass das Prinzip die Quantenverschränkung ist”, sagt Ulf Gran, Professor in der Abteilung für subatomare, Hochenergie- und Plasmaphysik an der Fakultät für Physik in Chalmers.

“Die Quantenverschränkung ist das, was Einstein als ‘spukhafte Fernwirkung’ bezeichnete, und stellt eine Möglichkeit für Elektronen dar, miteinander zu interagieren, die in der klassischen Physik keine Entsprechung hat. Um die kontraintuitiven Eigenschaften des seltsamen Metallzustands zu erklären, müssen alle Teilchen miteinander verschränkt sein, was zu einer Suppe von Elektronen führt, in der einzelne Teilchen nicht zu erkennen sind und die eine radikal neue Form von Materie darstellt.”

Erforschung des Zusammenhangs mit Ladungsdichtewellen

Das wichtigste Ergebnis der Arbeit ist, dass die Autoren herausgefunden haben, was den seltsamen Metallzustand ausmacht. In Hochtemperatursupraleitern treten Ladungsdichtewellen (CDW) auf, d. h. Wellen elektrischer Ladung, die durch Muster von Elektronen im Materialgitter erzeugt werden, wenn die seltsame Metallphase zusammenbricht. Um diesen Zusammenhang zu untersuchen, wurden nanoskalige Proben des supraleitenden Metalls Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid unter Spannung gesetzt, um die Ladungsdichtewellen zu unterdrücken. Dies führte dann zum Wiederauftreten des seltsamen Metallzustands. Durch die Dehnung des Metalls konnten die Forscher den seltsamen Metallzustand in den Bereich ausdehnen, der zuvor von den CDW dominiert wurde – was das “seltsame Metall” noch seltsamer machte.

“Die höchsten Temperaturen für den supraleitenden Übergang wurden beobachtet, wenn die seltsame Metallphase stärker ausgeprägt ist. Das Verständnis dieser neuen Materiephase ist daher von größter Bedeutung, um neue Materialien konstruieren zu können, die bei noch höheren Temperaturen supraleitend sind”, erklärt Floriana Lombardi.

Die Arbeit der Forscher deutet auf einen engen Zusammenhang zwischen dem Auftreten von Ladungsdichtewellen und dem Aufbrechen des seltsamen Metallzustands hin – ein potenziell entscheidender Anhaltspunkt für das Verständnis des letztgenannten Phänomens, das einen der eindrucksvollsten Beweise für quantenmechanische Prinzipien auf der Makroebene darstellen könnte. Die Ergebnisse deuten auch auf einen vielversprechenden neuen Forschungszweig hin, der die Kontrolle von Belastungen zur Manipulation von Quantenmaterialien nutzt.