Forschung: Supraleitung mit gebrochener Zeitumkehr-Invarianz innerhalb eines s-Wellen Supraleiters

In jedem konventionellen Supraleiter ist die U(1)-Eichsymmetrie der Cooperpaar-Wellenfunktion spontan gebrochen, in einem unkonventionellen Supraleiter sind in der Regel zusätzliche Symmetrien gebrochen. Typischerweise hat in solchen Systemen die Cooperpaar-Wellenfunktion eine andere Rotationssymmetrie als das zugrunde liegende  Kristallgitter (z.B. in d-Wellen-Kuprat-Supraleitern). In einigen wenigen Fällen ist im supraleitenden Zustand die Zeitumkehr-Invarianz gebrochen.  Dies hat zur Folge, dass der Supraleiter spontan magnetische Felder in seinem Inneren erzeugen kann.

In diesem Forschungsprojekt wurde experimentell nachgewiesen, dass in dem eisenbasierten Supraleiter Ba_1-xK_xFe₂As₂ in einem engen Substitutionsbereich um x=0.75  die Zeitumkehr-Invarianz gebrochen ist. Dies trtt auf, obwohl die zugrundeliegenden Wechselwirkungen der Elektronen alle weiteren Symmetrien erhalten, das heißt, ein s-Wellen-Supraleiter realisiert ist. Die Experimente zeigen, dass hier ein zwei-Komponenten-Ordnungsparameter der Form (s ± is)  mit gebrochener Zeitumkehr-Invarianz  gebildet wird, da zwei s-Wellen-Zustände konkurrieren. Dies ist nur möglich, weil es in den eisenbasierten Supraleitern mehrere Fermiflächen gibt, auf denen Cooperpaare durch verschiedene Wechselwirkungen gebildet werden können. Der kohärente (s ± is)-Zustand entsteht dann nahe einer topologischen Änderung der Fermifläche, eines Lifshitz-Übergangs. Das resultierende Supraleitungs-Phasendiagramm des Ba_1-xK_xFe₂As_2-Systems mit der in dieser Arbeit neu entdeckten Phase mit gebrochener Zeitumkehr-Invarianz  (BTRS) ist in der Abbildung dargestellt.

V. Grinenko , R. Sarkar, K. Kihou, C. H. Lee, I. Morozov, S. Aswartham, B. Büchner, P. Chekhonin, W. Skrotzki, K. Nenkov, R. Hühne, K. Nielsch, S. -L. Drechsler, V. L. Vadimov, M. A. Silaev, P. A. Volkov, I. Eremin, H. Luetkens, H.-H. Klauss,
Superconductivity with broken time-reversal symmetry inside a superconducting s-wave state,
Nat. Phys. (2020)