Superconductivity Durchbruch: Erste direkte Visualisierung einer Paardichtewelle bei Nullfeld

In dieser Darstellung des supraleitenden Materials Eu-1144 repräsentiert die blaue und magenta Welle über dem Kristallgitter, wie das Energieniveau der Elektronenpaare (gelbe Kugeln) räumlich moduliert wird, während sich diese Elektronen durch den Kristall bewegen. Credit: Brookhaven National Laboratory

Tunnel-Spektroskopie enthüllt den klarsten Beweis dafür, dass dieser exotische supraleitende Zustand der Materie auch ohne ein Magnetfeld in einem eisenbasierten Supraleiter existiert.

Forscher entdeckten einen alternativen supraleitenden Zustand, der als "Pair Density Wave" (PDW) bezeichnet wird, in einer unmagnetischen Umgebung, was bisherige Erkenntnisse zur Supraleitung in Frage stellt. Dieser Durchbruch in einem eisenbasierten Supraleiter, der auch Ferromagnetismus aufweist, eröffnet neue Möglichkeiten für die Supraleitungsforschung und könnte das Feld revolutionieren.

In der Superleitfähigkeit, dem Phänomen, bei dem Elektronen durch ein Material mit nahezu keinem Widerstand fließen können, ist das "heilige Gral" der Entdeckung ein Supraleiter, der bei alltäglichen Temperaturen und Drücken funktionieren kann. Ein solches Material könnte das moderne Leben revolutionieren. Aber derzeit müssen selbst die "Hochtemperatur"- (high-Tc) Supraleiter, die entdeckt wurden, sehr kalt gehalten werden, um zu funktionieren - zu kalt für die meisten Anwendungen.

Wissenschaftler haben noch viel zu lernen, bevor Raumtemperatur-Supraleitung realisiert werden kann, hauptsächlich weil Supraleiter hochkomplexe Materialien mit verwobenen und manchmal konkurrierenden magnetischen und elektronischen Zuständen sind. Diese verschiedenen Zustände oder Phasen können sehr schwierig zu entwirren und zu interpretieren sein.

Einer dieser Zustände ist ein alternativer supraleitender Zustand der Materie, bekannt als "Pair Density Wave" (PDW), der durch gekoppelte Elektronenpaare gekennzeichnet ist, die sich ständig bewegen. PDWs wurden bisher nur angenommen, wenn ein Supraleiter in einem großen Magnetfeld platziert wird - bis jetzt.

Members des Forschungsteams des Brookhaven Lab (von links nach rechts) Raymond Blackwell, He Zhao und Kazuhiro Fujita. Credit: Brookhaven National Laboratory

Kürzlich beobachteten Forscher des Brookhaven National Laboratory des U.S. Department of Energy, der Columbia University und des National Institute of Advanced Industrial Science and Technology von Japan eine PDW in einem eisenbasierten supraleitenden Material ohne magnetisches Feld. Sie beschreiben ihre Ergebnisse in der Online-Ausgabe der Zeitschrift Nature vom 28. Juni 2023.

"Forscher in unserem Bereich haben theoretisiert, dass eine PDW für sich allein existieren könnte, aber die Beweise waren bisher bestenfalls zweideutig", sagte Kazuhiro Fujita, ein Physiker am Brookhaven, der an der Studie beteiligt war. "Dieser eisenbasierte Supraleiter ist das erste Material, bei dem die Beweise eindeutig auf eine PDW ohne Magnetfeld hinweisen. Das ist ein aufregendes Ergebnis, das neue potenzielle Forschungs- und Entdeckungsmöglichkeiten für die Supraleitung eröffnet."

Das Material, das Eisenpniktid EuRbFe4As4 (Eu-1144), das eine geschichtete kristalline Struktur aufweist, ist auch sehr bemerkenswert, weil es natürlicherweise sowohl Supraleitung als auch Ferromagnetismus zeigt. Diese ungewöhnliche doppelte Identität ist es, was die Gruppe ursprünglich auf das Material aufmerksam machte und sie dazu veranlasste, es zu untersuchen.

"Wir wollten sehen, ob dieser Magnetismus mit der Supraleitung verbunden ist. Im Allgemeinen wird die Supraleitung durch magnetische Ordnung destabilisiert. Wenn also sowohl Supraleitung als auch Magnetismus in einer einzigen Verbindung existieren, ist es interessant zu sehen, wie die beiden miteinander koexistieren", sagte Physiker Abhay Pasupathy, einer der Co-Autoren des Papiers, der sowohl dem Brookhaven als auch der Columbia angehört. "Es ist vorstellbar, dass die beiden Phänomene in verschiedenen Teilen der Verbindung existieren und nichts miteinander zu tun haben. Aber stattdessen haben wir festgestellt, dass es eine schöne Verbindung zwischen den beiden gibt."

Die räumlich modulierte Supraleitfähigkeit wurde beim Auftreten des Magnetismus festgestellt.

"Dies ist ein aufregendes Ergebnis, das neue potenzielle Forschungs- und Entdeckungsmöglichkeiten für die Supraleitung eröffnet." - Brookhaven Lab Physiker Kazuhiro Fujita

Pasupathy und seine Kollegen untersuchten Eu-1144 im ultraniedrigschwingenden Labor des Brookhaven mit einem hochmodernen spektroskopischen Raster-Tunnelmikroskop (SI-STM).

"Dieses Mikroskop misst, wie viele Elektronen an einem bestimmten Ort im Material zwischen der Oberfläche der Probe und der Spitze des SI-STM hin und her 'tunneln', während die Spannung zwischen Spitze und Oberfläche variiert wird", sagte Fujita. "Diese Messungen ermöglichen es uns, eine Karte sowohl des Kristallgitters der Probe als auch der Anzahl der Elektronen bei verschiedenen Energien an jedem atomaren Ort zu erstellen."

Sie führten Messungen an ihrer Probe durch, während deren Temperatur erhöht wurde und dabei zwei kritische Punkte durchliefen: die Magnetismustemperatur, unterhalb der das Material Ferromagnetismus aufweist, und die Supraleitungstemperatur, unterhalb der das Material in der Lage ist, Strom ohne Widerstand zu leiten.

Below the sample’s critical superconducting temperature, the measurements revealed a gap in the spectrum of electron energies. This gap is an important marker because its size is equivalent to the energy it takes to break apart the electron pairs that carry the superconducting current. Modulations in the gap reveal variations in the electrons’ binding energies, which oscillate between a minimum and maximum. These energy gap modulations are a direct signature of a PDW.

This discovery points researchers in some new directions, such as trying to reproduce this phenomenon in other materials. There are also other aspects of a PDW that can be investigated, such as trying to indirectly detect the movement of the electron pairs via signatures that show up in other properties of the material.

“Many of our collaborators have shown great interest in our work and are already planning different types of experiments on this material, such as using x-rays and muons,” said Pasupathy.

This research group also includes He Zhao (Brookhaven Lab), Raymond Blackwell (Brookhaven Lab), Morgan Thinel (Columbia University), Taketo Handa (Columbia University), Shigeyuki Ishida (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan), Xiaoyang Zhu (Columbia University), Akira Iyo (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan), and Hiroshi Eisaki (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan). The work was funded by the DOE Office of Science (BES), the National Science Foundation, the Air Force Office of Scientific Research, and the Japan Society for the Promotion of Science.