Diese Supraleiter verhalten sich "seltsam", und Wissenschaftler wissen endlich, warum

Durch bahnbrechende Forschung in der Supraleitung werden neue Erkenntnisse über hochkritisches Kupfer-Supraleiter mit hoher kritischer Temperatur gewonnen. Durch gemeinsame Anstrengungen wurde das eigenartige metallische Verhalten dieser Supraleiter aufgedeckt und ein quantenkritischer Punkt identifiziert. Umfangreiche Röntgenexperimente führten zu dieser Entdeckung, die vielversprechend für zukünftige Technologien und nachhaltige Lösungen ist. Quelle: SciTechDaily.com

Aktuelle Forschungen haben entscheidende Aspekte von Hochtemperatursupraleitern aufgeklärt, indem sie ihren einzigartigen "seltsamen Metall"-Zustand und einen entscheidenden quantenkritischen Punkt identifizierten. Diese Entdeckung, die aus gemeinsamen Anstrengungen und umfangreichen Experimenten resultiert, ebnet den Weg für fortschrittliche supraleitende Technologien.

Dieser bedeutende Fortschritt in der Forschung zur Supraleitung könnte den Weg für nachhaltige Technologien ebnen und zu einer umweltfreundlicheren Zukunft beitragen.

Die in Nature Communications veröffentlichte Studie der Forscher des Politecnico di Milano, der Chalmers University of Technology in Göteborg und der Sapienza University of Rome beleuchtet eines der vielen Rätsel der hochkritisches Kupfer-Supraleiter: Selbst bei Temperaturen über der kritischen Temperatur verhalten sie sich speziell und verhalten sich wie "seltsame" Metalle. Dies bedeutet, dass ihr elektrischer Widerstand mit der Temperatur anders als bei normalen Metallen verändert.

Die Forschung deutet auf die Existenz eines quantenkritischen Punktes hin, der mit der Phase des "seltsamen Metalls" zusammenhängt.

Phasendiagramm von Cuprats. Quelle: Politecnico di Milano

"Ein quantenkritischer Punkt identifiziert spezifische Bedingungen, unter denen ein Material aufgrund ausschließlich quantenmechanischer Effekte einen plötzlichen Wechsel seiner Eigenschaften durchläuft. Genauso wie Eis bei null Grad Celsius aufgrund mikroskopischer Temperaturauswirkungen schmilzt und flüssig wird, wird Cuprat aufgrund quantenmechanischer Ladungsschwankungen zu einem 'seltsamen' Metall", kommentierte Riccardo Arpaia, Forscher am Department für Mikrotechnologie und Nanowissenschaften an der Chalmers University of Technology und Hauptautor der Studie.

Die Forschung basiert auf Röntgenstreuexperimenten am European Synchrotron ESRF und am britischen Synchrotron DLS. Sie zeigen die Existenz von Ladungsdichteschwankungen, die den elektrischen Widerstand von Cupraten in einer Weise beeinflussen, dass sie "seltsam" werden. Die systematische Messung, wie sich die Energie dieser Schwankungen verändert, ermöglichte die Identifizierung des Werts der Ladungsträgerdichte, bei dem diese Energie minimal ist: der quantenkritische Punkt.

Das ERIXS-Instrument des European Synchrotron ESRF in Grenoble. Quelle: Politecnico di Milano

"Dies ist das Ergebnis von mehr als fünf Jahren Arbeit. Wir haben eine Technik namens RIXS verwendet, die von uns am Politecnico di Milano weitgehend entwickelt wurde. Dank zahlreicher Messkampagnen und neuer Datenanalysemethoden konnten wir die Existenz des quantenkritischen Punktes nachweisen. Ein besseres Verständnis von Cupraten wird die Gestaltung noch besserer Materialien mit höheren kritischen Temperaturen und daher einfacher zu nutzenden Technologien von morgen leiten", fügt Giacomo Ghiringhelli, Professor am Physik-Department des Politecnico di Milano und Koordinator der Forschung, hinzu.

Sergio Caprara und seine Kollegen am Physik-Department der Sapienza University of Rome entwickelten die Theorie, die den Ladungsschwankungen eine Schlüsselrolle bei Cupraten zuweist. Er erklärte: "Diese Entdeckung stellt einen wichtigen Fortschritt im Verständnis nicht nur der anomalen Eigenschaften des metallischen Zustands von Cupraten dar, sondern auch der immer noch undurchsichtigen Mechanismen, die der Hochtemperatursupraleitung zugrunde liegen."

Referenz: "Signature of quantum criticality in cuprates by charge density fluctuations" von Riccardo Arpaia, Leonardo Martinelli, Marco Moretti Sala, Sergio Caprara, Abhishek Nag, Nicholas B. Brookes, Pietro Camisa, Qizhi Li, Qiang Gao, Xingjiang Zhou, Mirian Garcia-Fernandez, Ke-Jin Zhou, Enrico Schierle, Thilo Bauch, Ying Ying Peng, Carlo Di Castro, Marco Grilli, Floriana Lombardi, Lucio Braicovich und Giacomo Ghiringhelli, 8. November 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-42961-5