Kann Licht Supraleitung entzünden? Eine neue Studie entfacht die Debatte erneut

Kurze Lichtblitze könnten einige Materialien zu kurzzeitigen Supraleitern machen. Eine neue Studie untermauert diese umstrittene Behauptung, die erstmals vor über einem Jahrzehnt aufgestellt wurde. Doch während einige Physiker überzeugt sind, bleiben andere skeptisch.

Supraleiter übertragen Elektrizität ohne Widerstand, normalerweise nur bei niedrigen Temperaturen. Doch seit 2011 behaupten einige Wissenschaftler, dass bestimmte Materialien, wenn sie mit intensiven, ultrakurzen Laserpulsen bestrahlt werden, bei Temperaturen weit über ihrer normalen Grenze, einschließlich Raumtemperatur, kurzzeitig zu Supraleitern werden können.

Die vorherige Forschung zeigte eine vorübergehende Änderung der Reflektivität von Cupraten, Verbindungen, die Kupfer und Sauerstoff enthalten, wenn sie mit Licht bestrahlt werden. Diese Änderung deutete auf einen Widerstandsabfall hin, der nur Billionstel einer Sekunde oder Pikosekunden anhielt. Kritiker argumentierten, dass die Änderung durch andere Effekte als Supraleitung verursacht werden könnte.

Die neue Studie widerspricht. Ein Cuprat stößt Magnetfelder aus, wenn es mit Licht bestrahlt wird, berichten der Physiker Andrea Cavalleri und seine Kollegen am 10. Juli in Nature. Diese Ausstoßung, sagen sie, sei ein Kennzeichen der Supraleitung, bekannt als Meißner-Effekt (SN: 7/6/15).

Die Beobachtung sei „im Grunde ein unverkennbares Zeichen der Supraleitung“, sagt der Physiker Dmitri Basov von der Columbia University, der nicht an der Forschung beteiligt war.

Nicht alle sind von der neuen Arbeit so überzeugt. „Sie sehen diese Veränderung, die [etwa] eine Pikosekunde anhält, und es ist nicht sofort offensichtlich, dass es sich um dasselbe wie den Meißner-Effekt handelt“, sagt der Physiker Steve Dodge von der Simon Fraser University in Burnaby, Kanada.

Supraleiter erregen großes Interesse bei Physikern, unter anderem wegen ihres technologischen Potenzials. Ein Supraleiter, der bei hohen Temperaturen arbeitet, könnte beispielsweise eine effizientere Energieübertragung ermöglichen und so potenziell enorme Energiemengen einsparen. Und das Phänomen ist noch immer von Geheimnissen umgeben. Cuprate sind bei höheren Temperaturen supraleitend als die meisten anderen, und es ist noch nicht vollständig verstanden, warum.

Wissenschaftler wussten, dass Licht die Supraleitung stören kann, aber die Vorstellung, dass Licht sie auch erzeugen könnte, war unerwartet und umstritten. Und in früheren Studien „war alles etwas subjektiv, es roch irgendwie nach einem Supraleiter, aber … man konnte sich nicht wirklich sicher sein“, sagt Cavalleri vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg.

Also richteten Cavalleri und seine Kollegen ihr Augenmerk auf den Meißner-Effekt. Sie untersuchten eine Art von Kuprat namens Yttrium-Barium-Kupferoxid oder YBCO. Das ist eine Klasse von Verbindungen, die zuvor Anzeichen von lichtinduzierter Supraleitung gezeigt hatten.

Aber die genaue Messung von Magnetfeldänderungen über Pikosekunden ist keine leichte Aufgabe. „Keine bestehende Technik ermöglicht diese Messung“, sagt Cavalleri.

Das Team entwickelte ein Schema, bei dem ein Galliumphosphidkristall neben dem YBCO platziert wurde, um Magnetfelder zu messen. In Experimenten, die innerhalb eines bereits vorhandenen Magnetfelds durchgeführt wurden, trafen die Forscher das YBCO mit dem Laser und schickten einen zweiten Laser durch den Kristall. Die Reise durch den Kristall veränderte die Polarisation des Lasers – die Ausrichtung seiner elektromagnetischen Wellen – auf eine Weise, die durch das Magnetfeld im Kristall vorgegeben wurde. Dieser Effekt ermöglichte es dem Team, zu bestimmen, wie sich das Magnetfeld in der Nähe des YBCO änderte, als es mit Licht bei einer Temperatur bombardiert wurde, die normalerweise über der Supraleitungsgrenze des YBCO liegt.

Würde das YBCO zu einem Supraleiter, würde es aufgrund des Meißner-Effekts Magnetfelder aus seinem Inneren ausstoßen. Das würde zu einem stärkeren Magnetfeld am Rand des YBCO führen, und genau das fand das Team. Die Messungen mussten extrem schnell durchgeführt werden, um den kurzlebigen Meißner-Effekt zu erfassen, sagt Basov. „Das ist ein brillantes Konzept und eine brillante Umsetzung.“

Der Physiker Nan-Lin Wang von der Peking-Universität ist überzeugt, dass Magnetfelder ausgestoßen werden, wenn der Laserpuls das YBCO trifft. Ob dies jedoch Supraleitung im üblichen Sinne bedeutet, ist unklar. Es könnte daran liegen, dass bereits vorhandene, kleine supraleitende Ströme verstärkt werden, und nicht an der typischen großflächigen Supraleitung. „Die zugrundeliegende Physik könnte sehr kompliziert sein“, sagt er.

Aber Dodge behauptet, dass etwas anderes als Supraleitung dafür verantwortlich sein könnte. Bei hoher Lichtintensität, so bemerkt er, können komplexe und unerwartete Phänomene auftreten. „Ich würde gerne … eine sorgfältige Untersuchung sehen, um sicherzustellen, dass sie nicht einen anderen Effekt mit einem Meißner-Effekt verwechseln.“ Was genau hinter der Änderung des Magnetfelds steckt, ist nicht klar, sagt Dodge. Obwohl er der Behauptung der Supraleitung immer noch skeptisch gegenübersteht, sagt er: „Es ist ein lohnendes Experiment, weil es einige Fragen aufwirft, auf die ich sicherlich keine Antwort weiß.“