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Wissenschaftler haben einen für die Supraleitung notwendigen Schlüsselprozess entdeckt, der bei höheren Temperaturen abläuft als bisher angenommen. Es könnte ein kleiner, aber bedeutender Schritt auf der Suche nach einem der „heiligen Gral“ der Physik sein, einem Supraleiter, der bei Raumtemperatur funktioniert.
Die Entdeckung, die im Inneren des unwahrscheinlichen Materials eines elektrischen Isolators gemacht wurde, zeigt, dass sich Elektronen bei Temperaturen bis zu minus 123 Grad Celsius verbinden – eine der geheimen Zutaten für den Fluss nahezu verlustfreier Elektrizität in extrem kalten supraleitenden Materialien.
Bisher verstehen Physiker nicht, warum dieses Phänomen auftritt. Aber das Verständnis könnte ihnen helfen, Supraleiter bei Raumtemperatur zu finden. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse am 15. August in der Fachzeitschrift Science.
„Die Elektronenpaare sagen uns, dass sie bereit sind, supraleitend zu werden, aber etwas hält sie davon ab“, sagte Ke-Jun Xu, Co-Autor der Studie und Doktorand der angewandten Physik an der Universität Stanford, in einer Erklärung. „Wenn wir eine neue Methode zur Synchronisierung der Paare finden, könnten wir sie auf den Bau von Supraleitern für höhere Temperaturen anwenden. »
Supraleitung entsteht durch die Wellen, die Elektronen hinterlassen, wenn sie sich durch ein Material bewegen. Bei ausreichend niedrigen Temperaturen ziehen diese Wellen Atomkerne zueinander hin, was wiederum eine leichte Ladungsverschiebung verursacht, die ein zweites Elektron zum ersten anzieht.
Normalerweise sollten sich zwei negative Ladungen gegenseitig abstoßen. Doch etwas Seltsames passiert: Die Elektronen verbinden sich zu einem „Cooper-Paar“.
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Cooper-Paare folgen anderen Regeln der Quantenmechanik als isolierte Elektronen. Anstatt sich in energetischen Schichten nach außen zu stapeln, wirken sie wie Lichtteilchen, von denen unendlich viele gleichzeitig denselben Punkt im Raum einnehmen können. Wenn in einem Material genügend dieser Cooper-Paare erzeugt werden, werden sie zu einem Suprafluid, das ohne Energieverlust aufgrund des elektrischen Widerstands fließt.
Die ersten Supraleiter, die 1911 von der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes entdeckt wurden, gingen bei unglaublich niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273,15 °C) in diesen Zustand des elektrischen Widerstands von Null über. Doch 1986 entdeckten Physiker ein kupferbasiertes Material namens Cuprat, das bei einer viel höheren (aber immer noch sehr kalten) Temperatur von minus 135 °C supraleitend wird.
Die Physiker hofften, dass diese Entdeckung sie zu Raumtemperatur-Supraleitern führen würde. Aber das Wissen darüber, was das ungewöhnliche Verhalten von Cupraten verursacht, hat sich verlangsamt, und letztes Jahr wurden virale Behauptungen über lebensfähige Supraleiter bei Raumtemperatur mit dem Vorwurf der Datenfälschung und Täuschung beantwortet.
Um ihre Forschung voranzutreiben, griffen die Wissenschaftler hinter der neuen Studie auf ein Cuprat zurück, das als Neodym-Cer-Kupferoxid bekannt ist. Die maximale supraleitende Temperatur dieses Materials ist mit minus 248 °C (-414,67 °F) relativ niedrig, daher haben sich die Wissenschaftler nicht intensiv damit beschäftigt, es zu untersuchen. Doch als die Forscher der Studie ultraviolettes Licht auf die Oberfläche richteten, beobachteten sie etwas Seltsames.
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Wenn Lichtpakete oder Photonen auf ein Kuprat treffen, das ungepaarte Elektronen trägt, geben die Photonen den Elektronen typischerweise genug Energie, um aus dem Material ausgestoßen zu werden, was zu einem erheblichen Energieverlust führt. Aber die Elektronen in Cooper-Paaren können ihrer photonischen Vertreibung widerstehen, wodurch das Material nur wenig Energie verliert.
Trotz des Nullwiderstandszustands, der nur bei sehr niedrigen Temperaturen auftritt, stellten die Forscher fest, dass die Energielücke im neuen Material bis zu 150 K bestehen blieb und dass die Kopplung seltsamerweise in den meisten Proben am stärksten war, die dem Fluss von elektrischem Strom am widerstandsfähigsten gegenüberstanden .
Dies bedeutet, dass es zwar unwahrscheinlich ist, dass Cuprat bei Raumtemperatur Supraleitung erreicht, es aber Hinweise auf die Suche nach einem Material geben könnte, das dies kann.
„Unsere Ergebnisse eröffnen einen potenziell fruchtbaren neuen Weg. Wir planen, diese Kopplungslücke in Zukunft zu untersuchen, um beim Entwurf von Supraleitern mit neuen Methoden zu helfen“, sagte Hauptautor Zhi-Xun Shen, Professor für Physik an der Stanford, in der Pressemitteilung. „Einerseits planen wir, ähnliche experimentelle Ansätze zu nutzen, um diesen inkonsistenten Kopplungszustand besser zu verstehen. Andererseits möchten wir Wege finden, diese Materialien zu manipulieren, um diese inkohärenten Paare möglicherweise zur Synchronisierung zu zwingen. »