Streifzüge durch Kupferteilchen

Quantenmechanische Streifenformationen treten in kupferbasierten Hochtemperatursupraleitern auf: Das hat eine Forschergruppe an der Stanford University, unter ihnen Dr. Christian Mendl, seit Oktober 2017 an der TU Dresden, nachgewiesen. Ihre Ergebnisse sind ein Meilenstein in der Forschung zu Supraleitern – und könnten einen Vorstoß elektrischer Effizienz einleiten.

Schon vor 30 Jahren ehrte ein Nobelpreis die Entdeckung von Hochtemperatursupraleitern – jenen Materialien, die auch bei relativ hohen Temperaturen Elektrizität ohne Widerstand leiten.  Wie sie das tun, wusste die Forschung lange nicht zu beantworten. Dr. Christian Mendl vom Institut für Wissenschaftliches Rechnen der TU Dresden war Teil eines Teams um Prof. Tom Devereaux, das am SLAC National Accelerator Laboratory sowie an der Stanford University dieser Frage nachging – auf einem wortwörtlichen Streifzug durch die Quantenstruktur der Supraleiter: Durch die Computersimulation eines Kupferoxid-Supraleiters haben sie die Streifenmuster nachgewiesen, auf denen sich Elektronen-Spins – die Drehimpulse der Elektronen – in bestimmter Weise formieren.

Kupfer-basierte Supraleiter – Cuprate – sind die erste Materialklasse, deren verlustfreie Leitfähigkeit bei relativ hohen Temperaturen nachgewiesen wurde. Sie enthalten, so die Entdeckung der Forscher, Streifen bestimmter Elektronenladungen und -Spins, die sich wie Flüsse durch die atomare Struktur der Supraleiter winden. In ihnen reihen sich Elektronen entweder auf zu negativ geladenen Bändern, oder sie gleichen ihre Spins einander an, um magnetische Bänder zu erzeugen.

Nahe dem absoluten Nullpunkt waren diese Formierungen der Wissenschaft schon länger bekannt; doch die Forscher wiesen nach: Die Muster entstehen schon im Normalzustand der Kupferoxid-Supraleiter, bei höheren Temperaturen als der Übergangstemperatur. Die liegt bei normalen Supraleitern selten über -250°C. Der wissenschaftliche Knackpunkt: Unter den „wärmeren“ Bedingungen sind die Streifen so fein und subtil, dass sie nur numerisch durch Computersimulationen von einer nie dagewesenen Präzision nachgewiesen werden konnten.

An dem Projekt arbeiteten die Wissenschaftler von Mitte 2015 bis Ende 2016. Langfristig soll die Forschung helfen, den Zusammenhang zwischen Streifenmustern und Mechanismen der Supraleitung zu erklären. Wenn das glückt, könnten diese Streifen aus Elektronen-Spin- und -Ladungskorrelationen Stromflüsse zu nahezu 100 Prozent effizient machen. Die Resultate sind auch auf andere Materialien übertragbar, beispielsweise auf Magnete und ferroelektrische Stoffe.

Kontakt:
Dr. Christian Mendl