Unter hohem Druck kann ein Quantenmaterial bei einer deutlich höheren Temperatur supraleitend werden als ohne Druck. Das haben Forschende am Paul Scherrer Institut PSI nun mithilfe von Myonen untersucht. Ihre Studie liefert neue Einblicke in die Entstehung unkonventioneller Supraleitung. Damit trägt sie zur Suche nach Supraleitern bei, die bei praxistauglichen Temperaturen funktionieren: eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung energieeffizienter Technologien.
Supraleiter gelten schon lange als Geheimtipp für die Energiewirtschaft der Zukunft. Sie können elektrischen Strom ohne Widerstand leiten, deshalb entfallen sowohl Leitungsverluste als auch Abwärme. Doch bislang kommen Supraleiter nur in Spezialfällen zum Einsatz, etwa bei den immens starken Magnetspulen von Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider am CERN. Denn Supraleiter müssen gut gekühlt sein, bei manchen Materialien sogar auf extrem tiefe Temperaturen. Neuartige Materialien mit besonderen Quanteneigenschaften sollen Supraleitung künftig auch bei weniger frostigen und leichter erreichbaren Minusgraden möglich machen. Ein Forschungsteam um Zurab Guguchia hat am Paul Scherrer Institut PSI ein solches Quantenmaterial nun erstmals umfassend charakterisiert. Das ermöglicht ein detailliertes Verständnis dieser Prozesse und erleichtert die Suche nach technologisch nutzbaren Supraleitern. Die Ergebnisse sind im Fachjournal Nature Communications erschienen.
«Gegenwärtig wird weltweit an neuartigen, unkonventionellen Supraleitern geforscht, die auch bei höheren Temperaturen oder bei starken externen Magnetfeldern eine robuste Supraleitung aufweisen», sagt Guguchia. Der Physiker ist Forschungsgruppenleiter im Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung und arbeitet mit seinem Team an den Materialien der Zukunft.
Geschichtetes Material mit überraschenden Eigenschaften
Für ihre neuen Experimente haben Guguchia und sein Team sich ein Material ausgesucht, das durch eine ganze Reihe ungewöhnlicher Quanteneigenschaften besticht. Tantaldisulfid gehört zu einer Klasse von Materialien, die aus extrem dünnen Schichten aufgebaut sind. Es weist zwar keine Hochtemperatur-Supraleitung auf, bietet aber aufgrund seiner interessanten Eigenschaften spannende Experimentiermöglichkeiten. «Seine chemische Formel klingt denkbar einfach, auf ein Tantal-Atom kommen zwei Schwefel-Atome», so Guguchia. «Aber im Innern ist es ein enorm komplexes Material mit geradezu paradoxen Eigenschaften.»
Wenn man Tantaldisulfid auf die richtige Weise herstellt, bilden sich stets abwechselnd zwei Schichten mit unterschiedlicher atomarer Anordnung. «Das führt dazu, dass auch die elektronischen Eigenschaften dieser beiden Schichten sich völlig gegensätzlich verhalten», erläutert der Forscher. Beide Schichten sind bei hohen Temperaturen metallisch und können Elektronen leiten. Beim Abkühlen geschieht nun etwas Sonderbares: Die eine Schicht wird zum Isolator, während die andere supraleitend wird. Das Tantaldisulfid leitet den Strom in der supraleitenden Schicht dann nur in einer Ebene, weil die isolierenden Schichten keine Elektronen hindurchlassen.
Doch wenn man das Material extrem tief herunterkühlt, bis auf nur gut ein Grad über dem absoluten Temperatur-Nullpunkt, geschieht etwas Ungewöhnliches: «Auf einmal wird das ganze Material supraleitend, die isolierenden Schichten werden also auch leitend und nehmen an der Supraleitung teil», so Guguchia. Setzt man das Material unter hohen Druck, dann steigt sogar die Temperatur, bei der dies passiert. Der genaue Grund dafür war bislang nicht bekannt, weil das Zusammenspiel der Elektronen auf atomarer Ebene nicht gut verstanden ist.
Myonen liefern tiefen Einblick ins Material
Genau hier setzen die Experimente des PSI-Teams an. Dabei stehen den Forschenden hochmoderne experimentelle Methoden zur Verfügung. Ein wichtiges Verfahren ist die sogenannte Myonenspinspektroskopie.
Myonen sind Elementarteilchen – ähnlich wie Elektronen, aber etwa 200-mal schwerer und mit einer Lebensdauer von nur wenigen Millionstelsekunden. Lässt man sie gezielt in Materialien eindringen, reagieren sie äusserst empfindlich auf die magnetischen Eigenschaften ihrer Umgebung. Damit können Forschende auf kleinster Grössenskala untersuchen, was im Inneren eines Materials geschieht. Das PSI ist für solche Experimente die führende Adresse, denn es betreibt mit der Schweizer Myonenquelle SμS die weltweit stärkste Myonenquelle.
«Da Myonen aussergewöhnlich empfindliche Sonden für magnetische und supraleitende Eigenschaften sind, können wir hier am PSI einzigartige Einblicke in magnetische Materialien gewinnen», sagt Guguchia.
Das Team hat neben den Myonenmessungen auch andere Verfahren genutzt, um zu untersuchen, wie sich die Elektronen im Material bewegen. Die Kombination dieser Techniken ermöglichte einen Durchbruch im Verständnis von Tantaldisulfid.
Was Druck im Material bewirkt
Dazu führten die Forschenden eine Versuchsreihe durch, bei der sie das Material unter verschieden hohen Druck setzten und das Verhalten der Elektronen im Material bei sehr tiefen Temperaturen analysierten.
Dabei spielen gleich zwei Faktoren eine Rolle. Bei sehr hohem Druck – etliche hundert Mal höher als in einem Autoreifen – werden die Kristallebenen von Tantaldisulfid stark zusammengequetscht. Das führt erstens dazu, dass die supraleitenden Schichten näher miteinander in Kontakt kommen, sodass die trennende, isolierende Atomlage weniger störend wirkt. Und zweitens wird ein Teil der Elektronen in der isolierenden Schicht freigesetzt und kann dann ebenfalls an der Supraleitung teilnehmen. «Hoher Druck sorgt aufgrund dieser Effekte dafür, dass Tantaldisulfid bei rund dreifach höheren Temperaturen in allen drei Dimensionen supraleitend wird» », fasst Guguchia die Messungen zusammen. Ausserdem stieg die Anzahl der Elektronen, die an der Supraleitung teilnahmen, um den Faktor sieben.
«Druck erhöht also nicht nur die Temperatur, bei der Supraleitung auftritt, sondern verändert auch die eigentliche Natur des supraleitenden Zustands», so der Forscher. «Er verändert die Art und Weise, wie sich Elektronen zu Paaren verbinden und sich gemeinsam durch das Material bewegen, was zu einer robusteren Form der Supraleitung führt.»
Supraleitung unter alltagstauglicheren Bedingungen
Diese präzisen Ergebnisse sind eine wertvolle Hilfe für die theoretischen Physikerinnen und Physiker, um solche Quantenmaterialien künftig besser beschreiben zu können. Damit will man dem Fernziel näherkommen: massgeschneiderte Materialien, die bei hohen Temperaturen – im Optimalfall bei Raumtemperatur – und unter Atmosphärendruck supraleitend sind. Der Weg zu diesem Ziel birgt noch einige Herausforderungen, doch die Forschung kommt voran. «Durch die Untersuchung wichtiger Quantenmaterialien wollen wir die grundlegenden Mechanismen aufdecken, die der Supraleitung zugrunde liegen», so Guguchia. «Damit wollen wir Wege finden, um die Temperaturen zu optimieren, bei denen Supraleitung eintritt.»
In Zukunft werden die Forschenden am PSI noch tiefer in die faszinierende Welt supraleitender Quantenmaterialien vordringen können. Denn nach einem Upgrade der Myonenquelle im Rahmen des IMPACT-Projekts (IMPACT steht für: Isotope and Muon Production using Advanced Cyclotron and Target technologies) in den kommenden Jahren werden hundertfach stärkere Myonenstrahlen zur Verfügung stehen. Auch leitet das PSI den Nationalen Forschungsschwerpunkt Muoniverse. Dieser bündelt aufbauend auf der Myonenquelle des PSI im Projektverbund die Myonenforschung führender Einrichtungen in der Schweiz. «Wir freuen uns schon auf die Perspektiven, die sich durch diese beiden Entwicklungen bieten», schliesst Guguchia. «Denn gerade für die Arbeit an supraleitenden Quantenmaterialien eröffnet das ungeahnte experimentelle Möglichkeiten.»
Text: Dirk Eidemüller