Cooper-Paare weisen in Kagome-Metallen eine Wellenverteilung auf

Eine von einem Team Würzburger Physiker vorgeschlagene Theorie der Supraleitung wurde durch ein internationales Experiment bestätigt, das zeigte, dass Cooper-Paare in Kagome-Metallen eine wellenartige Verteilung aufweisen. Diese Entdeckung wird den Weg für neue technologische Anwendungen wie supraleitende Dioden ebnen.

Seit rund fünfzehn Jahren faszinieren Kagome-Materialien, deren sternförmige Struktur an die Muster japanischer Korbwaren erinnert, Forscher auf der ganzen Welt. Erst seit 2018 können Wissenschaftler Metallverbindungen mit dieser Struktur im Labor synthetisieren.

Dank ihrer einzigartigen Kristallgeometrie vereinen Kagome-Metalle charakteristische elektronische, magnetische und supraleitende Eigenschaften, was sie für zukünftige Quantentechnologien vielversprechend macht.

Professor Ronny Thomale vom Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quantenmaterie und Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Physik an der Universität Würzburg (JMU) lieferte mit ersten theoretischen Vorhersagen wichtige Einblicke in diese Materialklasse.

Aktuelle Ergebnisse veröffentlicht in Natur Sie vermuten, dass diese Materialien zu neuen elektronischen Bauteilen wie supraleitenden Dioden führen könnten.

Kagomes Supraleiter revolutioniert die Wissenschaft

In einem auf dem Preprint-Server veröffentlichten Artikel arXiv Am 16. Februar 2023 schlug das Team von Professor Thomale vor, dass sich in Kagome-Metallen eine einzigartige Art von Supraleitung manifestieren könnte, bei der sich Cooper-Paare wellenförmig über die Untergitter verteilen. Jeder „Sternpunkt“ enthält eine unterschiedliche Anzahl von Cooper-Paaren. Dieser Artikel wurde jetzt veröffentlicht in Körperliche Untersuchung B.

Thomales Theorie wurde erstmals durch ein internationales Experiment bestätigt und löste weltweit einen regelrechten Skandal aus. Dieses Experiment widerspricht der Hypothese, dass Kagomes Metalle nur gleichmäßig verteilte Cooper-Paare enthalten könnten.

Cooper-Paare, benannt nach dem Physiker Leon Cooper, werden bei sehr niedrigen Temperaturen durch Elektronenpaare gebildet und sind für die Supraleitung unerlässlich. Gemeinsam können sie einen Quantenzustand erzeugen und sich auch ohne Widerstand durch einen Kagome-Supraleiter bewegen.

„Unsere Forschung zu Kagome-Metallen wie Kalium-Vanadium-Antimon (KV₃Sb₅) konzentrierte sich auf die Quanteneffekte einzelner Elektronen, die zwar keine Supraleiter sind, aber im Material wellenartiges Verhalten zeigen können“, erklärt Thomale.

„Nachdem wir vor zwei Jahren unsere ursprüngliche Theorie des Elektronenverhaltens durch die Detektion von Ladungsdichtewellen experimentell bestätigt hatten, versuchten wir, andere Quantenphänomene bei extrem niedrigen Temperaturen zu finden. Dies führte zur Entdeckung des Supraleiters Kagome. Allerdings steckt die weltweite physikalische Forschung zu Kagome-Materialien noch in den Kinderschuhen“, bemerkt Thomale.

Übertragung der Wellenbewegung

„Die Quantenphysik kennt das Phänomen der Paardichtewellen, einer besonderen Form von supraleitendem Kondensat. Wie wir alle vom Kochen wissen, kondensiert Dampf beim Abkühlen und wird flüssig.

„Etwas Ähnliches passiert bei Metals Kagome.“ Bei extrem niedrigen Temperaturen um –193 °C organisieren sich die Elektronen neu und verteilen sich in Wellen im Material. „Das ist seit der Entdeckung der Ladungsdichtewellen bekannt“, erklärt Doktorand Hendrik Hohmann, der neben seinem Kollegen Matteo Dürrnagel einer der Hauptautoren der theoretischen Arbeit ist.

„Wenn die Temperatur auf –272° (nahezu dem absoluten Nullpunkt) sinkt, gruppieren sich die Elektronen paarweise. Diese Cooper-Paare verdichten sich zu einer Quantenflüssigkeit, die sich ebenfalls wellenförmig durch das Material ausbreitet und so eine widerstandsfreie Supraleitung ermöglicht. Diese Wellenverteilung wird daher von den Elektronen auf die Cooper-Paare übertragen. »

Frühere Forschungen zu Kagome-Metallen haben sowohl Supraleitung als auch die räumliche Verteilung von Cooper-Paaren gezeigt. Die überraschende neue Erkenntnis ist, dass diese Paare nicht nur gleichmäßig, sondern auch in einem wellenförmigen Muster innerhalb atomarer Untergitter verteilt sein können, ein Phänomen, das als „untergittermodulierte Supraleitung“ bezeichnet wird.

Dürrnagel fügt hinzu: „Das Vorhandensein von Paardichtewellen in KV₃Sb₅ „Supraleitung beruht letztlich auf einer wellenförmigen elektronischen Verteilung bei Temperaturen, die 80 °C höher sind als die Supraleitung. Diese Kombination von Quanteneffekten birgt erhebliches Potenzial.“

Forscher am ct.qmat suchen nun nach Kagome-Metallen, in denen Cooper-Paare eine räumliche Modulation zeigen, ohne dass vor der Supraleitung Ladungsdichtewellen auftreten. Vielversprechende Kandidaten sind bereits im Gespräch.

Der mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Josephson-Effekt sorgt für einen Durchbruch

Das Experiment, das den direkten Nachweis von Cooper-Paaren ermöglicht, die in Wellenmustern in einem Kagome-Metall verteilt sind, wurde von Jia-Xin Yin von der Southern University of Science and Technology in Shenzhen, China, entwickelt. Sie verwendete ein Rastertunnelmikroskop mit einer supraleitenden Spitze, mit der Cooper-Paare direkt beobachtet werden konnten.

Das Design dieser einatomigen Spitze basiert auf dem mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Josephson-Effekt. Zwischen der Mikroskopspitze und der Probe fließt ein supraleitender Strom, der eine direkte Messung der Cooper-Paar-Verteilung ermöglicht.

„Die aktuellen Ergebnisse stellen einen neuen Schritt hin zu energieeffizienten Quantengeräten dar. Obwohl diese Effekte derzeit nur auf atomarer Ebene beobachtbar sind, werden neue supraleitende Komponenten möglich, sobald die Supraleitung von Kagome auf makroskopischer Ebene erreichbar ist. Und das ist es, was unsere Grundlagenforschung antreibt“, sagt Professor Thomale.

Ausblick

Während in München gerade das längste supraleitende Kabel der Welt installiert wurde, wird noch intensiv an supraleitenden elektronischen Bauteilen geforscht. Erste supraleitende Dioden wurden bereits im Labor entwickelt, sie basieren jedoch auf einer Kombination verschiedener supraleitender Materialien.

Im Gegensatz dazu wirken Kagomes einzigartige Supraleiter mit ihrer inhärenten räumlichen Modulation von Cooper-Paaren selbst wie Dioden und bieten aufregende Möglichkeiten für supraleitende Elektronik und verlustfreie Schaltkreise.