Ein internationales Forschungsteam des Exzellenzclusters ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien hat in einem Metall einen vollkommen neuartigen Aggregatzustand nachgewiesen, der durch die Verbindung von vier Elektronen entsteht – bis jetzt kannte man lediglich Elektronen-Paare. Diese Entdeckung könnte zu einer neuen Art von Supraleitung, zu einer gänzlich neuen Forschungsrichtung und zu revolutionären Technologien wie Quantensensoren führen. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

Die verlustfreie Stromleitung – auch Supraleitung genannt – gilt als Hoffnungsträger der Energiewirtschaft. Seit ihrer Entdeckung vor mehr als 100 Jahren erforschen Wissenschaftler:innen weltweit das bekannte Quantenphänomen, bei dem die Elektronen in Metallen allerdings auf ultratiefe Temperaturen gekühlt werden müssen. Ein Team von Wissenschaftlern des Exzellenzclusters ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien der Universitäten Dresden und Würzburg hat nun eine bemerkenswerte Entdeckung gemacht: In bestimmten, supraleitenden Metallen sorgt ein Verbund aus vier Elektronen dafür, dass ein vollkommen neuer Aggregatzustand entsteht. Bisher kannte man nur die Bedeutung von zweiteiligen Elektronen-Paaren für die Supraleitung. Die Entdeckung des Forscherteams um Prof. Hans-Henning Klauss von der Technischen Universität Dresden gilt daher als Meilenstein für die Materialforschung. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

Elektronen-Familie überrascht Forscher

In der Quantenphysik ist die schon 1911 entdeckte Supraleitung bisher das wohl bekannteste Phänomen. Seit den 1950er Jahren sind ihre theoretischen Grundlagen verstanden. Ganz wesentlich dabei ist, dass sich Elektronen bei ultratiefen Temperaturen nicht mehr einzeln, sondern als zweiteilige Elektronen-Paare durch ein Metall bewegen. Elektronen-Paare stoßen im Atomgitter nicht an, so dass sie ihre Ladung ganz ohne Energieverluste transportieren können.

Als die Dresdner Forscher um Henning Klauss das supraleitende Metall Ba_1-xK_xFe₂As₂ aus der Klasse der Eisenpniktide experimentell untersuchten, vermuteten sie zunächst einen Fehler: „Als wir entdeckt haben, dass plötzlich vier statt bisher zwei Elektronen eine Verbindung eingehen, glaubten wir zuerst an einen Messfehler. Aber mit je mehr Methoden wir gemessen haben, desto klarer wurde uns, dass es sich um ein neues Phänomen handeln musste: Alle Nachprüfungen kamen zum gleichen Ergebnis. Jetzt wissen wir, dass durch die vierteilige Elektronen-Familie in bestimmten Metallen bei ultratiefer Kühlung ein ganz neuer Aggregatzustand entsteht. Wozu das künftig führt, wird sich in den nächsten Jahren zeigen“, kommentiert der Dresdner Physiker und Projektleiter Henning Klauss.

Ergebnisse wurden mehr als zwei Jahre lang geprüft

Schon vor etwa zehn Jahren wurde theoretisch vorhergesagt, dass es bei bestimmten supraleitenden Metallen einen ungewöhnlichen Materiezustand geben könnte, bei dem vier statt zwei Elektronen eine Rolle spielen. Das internationale Forschungsteam des Exzellenzclusters ct.qmat hat nun den ersten experimentellen Nachweis erbracht. Zwei Jahre lang wurde er mit sieben unterschiedlichen Methoden nachgeprüft.

„Wir haben den neuen Aggregatzustand zunächst in einem Schweizer Teilchenbeschleuniger entdeckt. Unsere Ergebnisse konnten wir danach mit sechs weiteren Methoden vor Ort in Dresden und an der Universität Stockholm bestätigen. Der große Standortvorteil von Dresden sind die kurzen Wege: Ich kann meine Probe fast zu Fuß in ein Leibniz-Institut oder Helmholz-Zentrum bringen“, betont der führende Experimentator des Projektes, Dr. Vadim Grinenko von der TU Dresden.  Die theoretische Interpretation der Messergebnisse stammt vom schwedischen Physiker Prof. Egor Babaev. 

Neue Art von Supraleitung möglich

Schon die Entdeckung der Eisenpniktide als für Supraleitung besonders geeignete Materialklasse löste ab 2008 einen weltweiten Forschungsboom in Physik und Materialwissenschaft aus. Die Energiewirtschaft setzt große Hoffnungen in das populäre Quantenphänomen, denn beim konventionellen Energietransport gehen bis zu 15 Prozent Energie durch den Transportwiderstand verloren. „Wenn man Strom tatsächlich flächendeckend in supraleitenden Metallen bei Raumtemperatur transportieren könnte, wären auf der Stelle etwa zehn Großkraftwerke überflüssig“, so Klauss. Grundlagenorientierte Forschung – wie die von Prof. Klauss – beschäftigt sich allerdings mit dem Verständnis der zugrundeliegenden Physik und kann über zukünftige Anwendungsmöglichkeiten allenfalls spekulieren.  

„Man kann davon ausgehen, dass unsere Ergebnisse zu einer ganz neuen Forschungsrichtung führen, in der zum Beispiel nach anderen Metallen mit vier zusammenhängenden Elektronen gesucht wird oder man erforscht, wie Materalien verändert werden müssen, damit eine Elektronen-Familie entsteht“, erklärt Klauss. „Rein theoretisch wäre mit unserer Elektronen-Familie auch eine ganz neue Art von Supraleitung möglich, aber das ist Zukunftsmusik. Sicher ist nur, dass sich Eisenpniktide durch den neuen Aggregatzustand gut für Technologien wie Quantensensoren eignen.“

Internationale Beteiligung

An den aktuellen Forschungserkenntnissen waren neben dem Gruppenleiter Hans-Henning Klauss die Projektleiter Dr. Vadim Grinenko von der TU Dresden und Prof. Egor Babaev vom Royal Institute of Technology in Stockholm maßgeblich beteiligt. Die Experimente wurden am Schweizer Paul-Scherrer-Institut in Villigen sowie am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden, dem Hochfeldmagnetlabor des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf und am AIST-Institut in Tsukuba in Japan durchgeführt.

Publikation
State with spontaneously broken time-reversal symmetry above the superconducting phase transition, Grinenko et al., Nature Physics (2021) https://doi.org/10.1038/s41567-021-01350-9

Informationen für Journalisten:

Prof. Hans-Henning Klauss
Professor für Festkörperphysik
TU Dresden
Tel.: +49 351 463-42125

Exzellenzcluster ct.qmat
Das Exzellenzcluster ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter (Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien) wird seit 2019 gemeinsam von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der TU Dresden getragen. Mehr als 270 Wissenschaftler:innen aus 33 Ländern und vier Kontinenten erforschen topologische Quantenmaterialien, die unter extremen Bedingungen wie ultratiefen Temperaturen, hohem Druck oder starken Magnetfeldern überraschende Phänomene – wie zum Beispiel die Supraleitung – offenbaren. Das Exzellenzcluster wird im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert.