Der Supraleitung auf der Spur

Exotischer Materiezustand nachgewiesen

Mithilfe ultrakalter Atome haben Wissenschaftler der Universität Heidelberg einen exotischen Materiezustand nachgewiesen. Einer Medienmitteilung vom 21.12.2017 zufolge bilden die zugrundeliegenden Teilchen Paare, wenn ihre Bewegung auf zwei Dimensionen beschränkt wird. Diese Erkenntnisse aus der Quantenphysik könnten wichtige Hinweise liefern, um Phänomene der Supraleitung besser zu verstehen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

[note Abstract des Artikels in Science (“High-temperature pairing in a strongly interacting two-dimensional Fermi gas”): “Die Natur der Normalphase stark korrelierter fermionischer Systeme ist eine herausragende Frage der Quanten-Mehrkörperphysik. Wir verwenden ortsaufgelöste Hochfrequenzspektroskopie, um die Paarungsenergie von Fermionen über einen weiten Temperaturbereich und Wechselwirkungsstärken in einem zweidimensionalen Gas ultrakalter fermionischer Atome zu messen. Wir beobachten Mehrkörperpaarungen bei Temperaturen, die weit über der kritischen Temperatur für die Suprafluidität liegen. Im stark wechselwirkenden Regime übersteigt die Paarungsenergie in der Normalphase deutlich die intrinsische Zwei-Körper-Bindungsenergie des Systems und zeigt eine deutliche Abhängigkeit von der lokalen Dichte. Das bedeutet, dass die Paarung in diesem Regime von Viel-Körper-Korrelationen und nicht von der Zwei-Körper-Physik angetrieben wird. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Paarungskorrelationen in stark wechselwirkenden zweidimensionalen fermionischen Systemen bemerkenswert robust gegen thermische Schwankungen sind.”]

Fermionen bilden Paare bilden und werden supraleitend

Supraleiter sind Materialien, bei denen Strom ohne jeglichen Widerstand fließen kann, wenn eine sogenannte Sprungtemperatur unterschritten wird. Die technologisch besonders interessante Klasse der Hochtemperatursupraleiter mit ungewöhnlich hohen Sprungtemperaturen ist jedoch noch nicht vollständig verstanden. Erwiesen ist allerdings, dass eine bestimmte Sorte von Teilchen – die Fermionen – notwendigerweise Paare bilden müssen, um supraleitend werden zu können. Die Forschung hat außerdem gezeigt, dass viele Materialien, die supraleitende Eigenschaften bei vergleichsweise hohen Temperaturen aufweisen, eine geschichtete Struktur haben. „Dies bedeutet, dass die Bewegung der Elektronen in derartigen Quantensystemen effektiv auf zwei Dimensionen beschränkt ist“, so Projektleiter Prof. Dr. Selim Jochim vom Physikalischen Institut der Universität Heidelberg. „Offen war bisher jedoch die Frage, wie die Paarbildung im Verbund mit der Zweidimensionalität zu höheren Sprungtemperaturen führen kann.“

[note Fermionische Paarbildung bei hohen Temperaturen: Heidelberger Physikern gelingt der Nachweis eines exotischen Materiezustands. In einem bereits bekannten und gut verstandenen Szenario wird die Paarbildung allein durch die Attraktion zwischen zwei Fermionen verursacht (grüne Verbindungslinien). Das Heidelberger Forschungsteam hat jedoch herausgefunden, dass bei starken Wechselwirkungen zwischen den Fermionen eine andere Art der Paarbildung stattfindet, die stark von der Dichte des umliegenden Mediums abhängt (graue Wolken). Das deutet darauf hin, dass in diesem Zustand jedes Teilchen nicht nur mit einem anderen Teilchen gepaart ist, sondern dass es zusätzlich auch noch weitere Korrelationen mit anderen Teilchen in der Umgebung gibt. Bild © Puneet Murthy]

Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, wurden am Zentrum für Quantendynamik Experimente mit ultrakalten Atomen durchgeführt. Diese Atome wurden dabei in zweidimensionalen, durch einen fokussierten Laserstrahl erzeugten Fallen gefangen. „In Festkörpern, wie etwa Kupferoxiden, gibt es viele konkurrierende Effekte und zudem Unreinheiten, die diese Materialien schwer beschreibbar machen. Daher nutzen wir ultrakalte Atome, um das Verhalten von Elektronen in einem Festkörper zu simulieren. Wir sind damit in der Lage, sehr reine Proben zu erzeugen, und haben volle Kontrolle über die entscheidenden Parameter des Systems“, erklärt Puneet Murthy, Doktorand am Zentrum für Quantendynamik der Universität Heidelberg und einer der Hauptautoren der Veröffentlichung.

Zum Einsatz kam bei diesen Experimenten eine Technik, die unter dem Namen Radiofrequenzspektroskopie bekannt ist. Damit untersuchen die Wissenschaftler, wie Atome auf einen Radiofrequenzpuls ansprechen. Auf diese Weise konnten sie genau feststellen, wann und in welcher Form es zu einer Paarbildung kam. Die Messungen wurden zudem für verschiedene Wechselwirkungsstärken zwischen den Fermionen durchgeführt. Bei diesen Untersuchungen stießen die Forscher auf einen exotischen Materiezustand. Aus der Theorie ist bekannt, dass schwach wechselwirkende Fermionen bei derselben Temperatur Paare bilden sollten, bei der sie auch supraleitend werden. Als jedoch die Wissenschaftler die Stärke der Wechselwirkungen in den Experimenten erhöhten, beobachteten sie, dass bei starker Wechselwirkung die Paarbildung bereits bei einem Vielfachen der Sprungtemperatur erfolgte.

„Langfristiges Ziel unserer Forschung ist es, ein tieferes Verständnis dieser Phänomene zu erlangen. Dafür starten wir mit kleinen Systemen, die wir Atom für Atom zusammensetzen“, sagt Selim Jochim. An den Forschungsarbeiten waren auch Wissenschaftler des Instituts für Theoretische Physik sowie Forscher der Simon Fraser University in Vancouver (Kanada) beteiligt.

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