- Das Forschungsteam hat die Geschwindigkeitsgrenze von Supraleitern durchbrochen und das Entkopplungsphänomen von elektronischen Paaren untersucht.
- Das Entkopplungsphänomen tritt innerhalb von einer Milliardstel Sekunde auf und beeinflusst die Supraleitung.
- Das Team verwendete Materialien wie Tantalnitrid und Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid für Experimente, die unterschiedliche supraleitende Verhaltensweisen zeigten.
- Die Forschungsergebnisse tragen dazu bei, die Eigenschaften von Supraleitern in Zukunft auf neue Weise zu untersuchen.
Ein Forschungsteam aus dem Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Deutschland, dem Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology in China, der ETH Zürich in der Schweiz und der University of Oxford in Großbritannien hat durch das Durchbrechen der „Geschwindigkeitsgrenze“ von Supraleitern einen bedeutenden Fortschritt bei der Untersuchung des Entkopplungsphänomens von elektronischen Paaren (d.h. Cooper-Paaren) erzielt. Supraleiter sind Materialien, die bei Temperaturen unterhalb eines bestimmten Wertes elektrischen Strom ohne Widerstand leiten und ein Magnetfeld erzeugen können. Diese einzigartigen Eigenschaften ermöglichen Technologien wie Teilchenbeschleuniger und Magnetresonanztomographie (MRT), die vor einem Jahrhundert wie Science-Fiction klangen.
Obwohl es uns gelungen ist, den supraleitenden Zustand in verschiedenen Materialien zu erreichen, sind sich die Wissenschaftler der Zerbrechlichkeit dieser Systeme bewusst. Ein Anstieg der Temperatur oder Veränderungen in Strom und Magnetfeld können ausreichen, um das Material aus dem supraleitenden Zustand zu bringen.
Herausforderungen des Entkopplungsphänomens von Supraleitern
Das Entkopplungsphänomen von Supraleitern, obwohl Magnetfelder und Ströme messbar sind, hat eine weitere Grenze, die schwer zu messen ist, da sie innerhalb von einer Milliardstel Sekunde Störungen hervorrufen kann. Dies ist die Entkopplungsgrenze, bei der elektronische Paare (d.h. Cooper-Paare) auseinandergerissen werden, was zu einem sofortigen Verlust der Supraleitung führt. Da die durch das Überschreiten der Entkopplungsgrenze verursachten Störungen sehr schnell sind, müssen die Wissenschaftler schneller untersuchen, um festzustellen, ob diese Grenze überschritten wurde. Das Forschungsteam fand eine neuartige Methode, die dem Durchbrechen der Geschwindigkeitsgrenze beim Überschreiten dieser Grenze ähnelt. Zweite Klasse Supraleiter werden in vielen Anwendungen weit verbreitet und stellen tatsächlich einen physikalischen Kompromiss dar.
Im Gegensatz zu den ersten Klasse Supraleitern, die eine schwache magnetische Grenze aufweisen, haben zweite Klasse Supraleiter eine höhere Grenze, was auf ihr internes Magnetfeld (d.h. Quantenwirbel) zurückzuführen ist, das es dem Strom ermöglicht, auch unter extremen Bedingungen zu fließen und die Supraleitung aufrechtzuerhalten.
Supraleitendes Verhalten unterschiedlicher Materialien
Starke Ströme können diese Quantenwirbel auseinanderreißen und Widerstand im Material erzeugen, wodurch die Supraleitung beendet wird. Daher entschied sich das Forschungsteam, diese Informationen zu nutzen, um das Entkopplungsphänomen besser zu verstehen. Um die Geschwindigkeitsgrenze zu durchbrechen, verwendete das Team zwei verschiedene Arten von supraleitenden Materialien, Tantalnitrid (NbN) und ein Mitglied der Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid (YBCO) Familie, die beide supraleitendes Verhalten bei hohen Temperaturen zeigen. NbN hat eine s-Wellen-Energieband-Symmetrie, während YBCO eine d-Wellen-Energieband-Symmetrie aufweist, was die Schwierigkeit bestimmt, ihre Supraleitung zu zerreißen.
Um über die quantenmechanischen Prozesse hinauszugehen, die innerhalb von einer Milliardstel Sekunde stattfinden, entwickelte das Team einen photonischen Schaltkreis, dessen Geschwindigkeit mehrere Größenordnungen über der Bewegungsgeschwindigkeit der Quantenwirbel liegt, die mehrere Kilometer pro Sekunde beträgt. Die Forscher fanden heraus, dass NbN die Supraleitung aufrechterhielt, bis der angelegte Strom den kritischen Wert erreichte, und dann plötzlich die Supraleitung verlor. Im Gegensatz dazu verlor das YBCO-Material allmählich die Supraleitung. Das Team führte diesen Unterschied auf die Energieband-Symmetrie der beiden Materialien zurück, wobei die Energieband-Symmetrie von NbN in alle Richtungen gleich ist, während die von YBCO signifikant variiert, was ein einmaliges Abreißen unmöglich macht.
Die Verhaltensunterschiede dieser beiden Materialien führten zu einem grundlegenden Verständnis der Supraleitung, das letztendlich auf die Cooper-Paare und deren Stabilität zurückgeführt werden kann. Das Überschreiten der Geschwindigkeitsgrenze von supraleitenden Materialien ermöglicht es den Forschern, diese Eigenschaften in Zukunft auf neue Weise zu untersuchen und zu erfassen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht.
Neue Richtungen in der Supraleiterforschung
Die Durchbrüche des Forschungsteams im Bereich der Supraleiter haben nicht nur die Zerbrechlichkeit elektronischer Paare aufgezeigt, sondern auch neue Perspektiven für die zukünftige Forschung an supraleitenden Materialien eröffnet. Die schnellen Störungen des Entkopplungsphänomens machen die Stabilität der Materialien entscheidend, was für die praktische Anwendung in der Entwicklung von Teilchenbeschleunigern und medizinischen Geräten von großer Bedeutung ist. Durch die eingehende Untersuchung verschiedener Materialien können Wissenschaftler die Eigenschaften der Supraleitung besser verstehen und somit Innovationen und Anwendungen in verwandten Technologien vorantreiben.