Eine unerwartete Beobachtung erschüttert die Gewissheiten über die Supraleitung.
Physikern ist es gelungen, den Quantentanz der Elektronen in einem Supraleiter zu filmen, und das Ergebnis hat sie überrascht: Die Atompaare, von denen man annahm, sie seien unabhängig, interagieren miteinander, wie Tänzer, die sich auf einer überfüllten Bühne synchronisieren. Dieses koordinierte Verhalten, das noch nie zuvor beobachtet wurde, stellt eine 70 Jahre alte Theorie in Frage.
Supraleitung ist ein Phänomen, bei dem bestimmte Materialien, die auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt werden, elektrischen Strom ohne jeden Widerstand leiten. Diese "magische Kraft" rührt daher, dass sich die normalerweise einzelnen Elektronen zu Paaren zusammenschließen – man nennt sie Cooper-Paare. Die Theorie, die diesen Mechanismus erklärt, die sogenannte BCS-Theorie, brachte ihren Autoren in den 1950er Jahren einen Nobelpreis ein. Diese Theorie geht jedoch davon aus, dass jedes Paar für sich allein handelt, ohne seine Nachbarn zu beeinflussen.
Zum ersten Mal haben Forscher das Verhalten von Elektronenpaaren in einem Supraleiter abgebildet.
Bildnachweis: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation Um diese Hypothese zu überprüfen, haben Physiker des CNRS und des Flatiron Institute ein ausgeklügeltes Experiment entwickelt. Sie verwendeten ein Gas aus Lithiumatomen, das auf einige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt wurde. Diese Atome verhalten sich wie Elektronen, was es ermöglicht, die Supraleitung in einer kontrollierten Umgebung zu untersuchen. Dieses System, Fermigas genannt, dient als Miniaturlabor zur Beobachtung der Quantenmechanik.
Dank einer neuen Bildgebungstechnik gelang es dem Team, Schnappschüsse von der Position jedes Atompaares zu machen. Die Bilder offenbarten eine unerwartete Organisation: Die Paare sind nicht zufällig verteilt, sondern halten einen regelmäßigen Abstand zueinander ein, wie Tänzer, die vermeiden, sich gegenseitig anzustoßen. Dieses Abstoßungsmuster, das in der BCS-Theorie fehlt, zeigt, dass die Paare tatsächlich miteinander wechselwirken. Die Forscher bezeichnen diese Entdeckung als das "fehlende Puzzleteil".
Um sicherzustellen, dass diese Beobachtungen korrekt waren, wurden detaillierte Quantensimulationen durchgeführt. Die Berechnungen reproduzierten die experimentellen Ergebnisse exakt und bestätigten, dass sich die Paare mit einem präzisen Abstand anordnen. Diese Validierung untermauert die Idee, dass die BCS-Theorie, obwohl nützlich, unvollständig ist und dass diese Wechselwirkungen für ein besseres Verständnis der Supraleitung berücksichtigt werden müssen.
Diese Fortschritte könnten erhebliche Auswirkungen auf die Suche nach neuen supraleitenden Materialien haben. Derzeit arbeiten die besten "Hochtemperatur"-Supraleiter nur bei -196 °C, der Temperatur von flüssigem Stickstoff. Durch ein besseres Verständnis der grundlegenden Mechanismen hoffen die Wissenschaftler, eines Tages Materialien zu entwickeln, die bei Raumtemperatur supraleitend werden. Eine solche Errungenschaft würde die Stromnetze, Computer und viele andere Technologien radikal verändern.
Über die Supraleitung hinaus öffnet diese Entdeckung ein Fenster zu anderen Quantenzuständen der Materie. Indem sie ihre Werkzeuge an einfachen Systemen wie dem Fermigas verfeinern, können die Forscher komplexere Systeme erforschen, in denen sich vielleicht die nächsten großen technologischen Innovationen verbergen.
Quelle: Physical Review Letters