Eine Strategie zur Verbesserung der lichtgetriebenen Supraleitfähigkeit von K₃C₆₀

15. Oktober 2023 feature

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Supraleitung ist die Fähigkeit einiger Materialien, einen direkten elektrischen Strom (DC) nahezu ohne Widerstand zu leiten. Diese Eigenschaft ist äußerst begehrt und vorteilhaft für verschiedene technologische Anwendungen, da sie die Leistung verschiedener elektronischer und energietechnischer Geräte steigern könnte.

In den letzten Jahren haben sich Festkörperphysiker und Materialwissenschaftler bemüht, Strategien zur Verbesserung der Supraleitung bestimmter Materialien zu identifizieren. Dazu gehört das Material K3C60, ein organischer Supraleiter, bei dem festgestellt wurde, dass er in eine Phase mit null Widerstand übergeht, wenn ihm mittelinfrarote optische Impulse zugeführt werden.

Forscher des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie, der Università degli Studi di Parma und der University of Oxford haben nun eine Strategie zur Verbesserung der durch Licht induzierten Supraleitung von K3C60 identifiziert. Diese Strategie, die in der Zeitschrift Nature Physics beschrieben wird, hat bisher sehr vielversprechende Ergebnisse geliefert und die Fotosuszeptibilität dieses supraleitenden Materials um zwei Größenordnungen erhöht.

"Wir erforschen seit etwa einem Jahrzehnt die Möglichkeit, Licht zu nutzen, um die Supraleitung von einem Gleichgewichtszustand bei Basistemperatur oberhalb von Tc zu steigern", sagte Andrea Cavalleri, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. "Wir haben gezeigt, dass dies bei einigen Kupraten, bestimmten Ladungstransfersalzen und bei K3C60 funktioniert."

"In diesem Artikel haben wir den Mechanismus untersucht, der der optisch induzierten Supraleitung von K3C60 zugrunde liegt, wobei eine spezielle optische Quelle verwendet wurde, die viel besser abstimmbar ist als die zuvor verwendete und Frequenzen bis zu 10 THz erreicht."

Cavalleri und sein Forschungsteam haben die Supraleitung von K3C60 schon seit einigen Jahren erforscht. In ihren früheren Experimente konnten sie die supraleitende Phase dieses Materials mit Anregungsphotonenenergien zwischen 80 und 165 meV (20-40 THz) realisieren.

In ihrer neuen Studie untersuchten sie die Anregung im Material bei niedrigeren Energien zwischen 24 und 80 meV (6-20 THz), wobei sie eine zuvor für sie unzugängliche Strategie verwendeten. Die Forscher erreichten dies mit einer Terahertz-Quelle, die schmalbandige Pulse erzeugt, indem die nahinfraroten Signalstrahlen zweier verschiedener phasenfester optischer parametrischer Amplituden kombiniert werden.

"Die zugrunde liegende Physik ist noch nicht klar, aber das Experiment zielt auf ausgewählte Molekülschwingungen ab, die direkt auf ihre Resonanzfrequenz verstärkt werden", sagte Cavalleri. "Die angetriebenen Schwingungen scheinen sich mit den elektronischen Zuständen zu verbinden und die Paarung und Kohärenz zu verstärken, die zur Supraleitung führen. Der vorliegende Artikel zeigt, dass dieser Effekt besonders gut bei 10 THz funktioniert, wo eine bestimmte Molekülschwingung gefunden wird."

Die jüngste Arbeit von Cavalleri und seinen Mitarbeitern wirft ein neues Licht auf die möglichen Mechanismen der fotoinduzierten Supraleitung in K3C60 und potenziell anderen Supraleitern. Darüber hinaus stellt sie eine Strategie vor, die dazu beitragen könnte, die fotoinduzierte Supraleitung über längere Zeiträume aufrechtzuerhalten, was interessante Auswirkungen auf die Entwicklung lichtgetriebener Quantentechnologien haben könnte.

"Wir haben einen 10 ns langen, stabilen supraleitenden Zustand bei Raumtemperatur festgestellt", fügte Cavalleri hinzu. "Dies könnte prinzipiell für zukünftige quantenoptische Geräte verwendet werden. Wir möchten die Eigenschaften dieses vorübergehenden Zustands untersuchen, insbesondere die magnetischen Eigenschaften, und versuchen, sie mit den Eigenschaften der im Gleichgewicht befindlichen Supraleitung zu vergleichen."