Metall­zu­stand in Hoch­tem­pe­ra­tur­su­pra­lei­tern genau­er untersucht

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.