Der Supraleitung auf der Spur

  • 27. December 2017

Fermionische Paar­bildung bei hohen Tempe­ra­turen: Nach­weis eines exoti­schen Mate­rie­zustands ge­lungen.

Mithilfe ultrakalter Atome haben Wissen­schaftler der Universität Heidelberg einen exoti­schen Materie­zustand nachgewiesen. Dabei bilden die zugrunde­liegenden Teilchen Paare, wenn ihre Bewegung auf zwei Dimen­sionen beschränkt wird. Diese Erkennt­nisse aus der Quanten­physik könnten wichtige Hinweise liefern, um Phänomene der Supra­leitung besser zu verstehen.

In einem bereits bekannten und gut verstandenen Szenario wird die Paarbildung allein durch die Attraktion zwischen zwei Fermionen verursacht (grüne Verbindungs­linien). Das Heidel­berger Forschungs­team hat jedoch heraus­gefunden, dass bei starken Wechsel­wirkungen zwischen den Fermionen eine andere Art der Paarbildung stattfindet, die stark von der Dichte des umliegenden Mediums abhängt (graue Wolken). Das deutet darauf hin, dass in diesem Zustand jedes Teilchen nicht nur mit einem anderen Teilchen gepaart ist, sondern dass es zusätzlich auch noch weitere Korrelationen mit anderen Teilchen in der Umgebung gibt. (Bild: P. Murthy)

In einem bereits bekannten und gut verstan­denen Szenario wird die Paar­bildung allein durch die Attrak­tion zwischen zwei Fermionen verursacht (grüne Linien). Bei starken Wechsel­wirkungen zwischen den Fermionen findet jedoch eine andere Art der Paar­bildung stattf, die stark von der Dichte des umlie­genden Mediums abhängt (graue Wolken). Demnach ist in diesem Zustand jedes Teilchen nicht nur mit einem anderen Teilchen gepaart, sondern es gibt zusätz­lich weitere Korrela­tionen mit anderen Teilchen in der Umgebung. (Bild: P. Murthy)

Die technologisch besonders interessante Klasse der Hoch­temperatur­supra­leiter mit ihren ungewöhnlich hohen Sprung­tempera­turen ist noch nicht vollständig verstanden. Erwiesen ist allerdings, dass eine bestimmte Sorte von Teilchen – die Fermionen – notwen­diger­weise Paare bilden müssen, um supra­leitend werden zu können. Wie zudem bekannt ist, haben viele Materialien, die supra­leitende Eigen­schaften bei ver­gleichs­weise hohen Tempera­turen aufweisen, eine geschichtete Struktur. „Dies bedeutet, dass die Bewegung der Elek­tronen in derartigen Quanten­systemen effektiv auf zwei Dimensionen beschränkt ist“, so Projektleiter Selim Jochim vom Physika­lischen Institut der Universität Heidelberg. „Offen war bisher jedoch die Frage, wie die Paar­bildung im Verbund mit der Zwei­dimensio­nalität zu höheren Sprung­tempera­turen führen kann.“

Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, wurden am Zentrum für Quanten­dynamik Experimente mit ultrakalten Atomen durchgeführt. Diese Atome wurden dabei in zweidimen­sionalen, durch einen fokus­sierten Laserstrahl erzeugten Fallen gefangen. „In Festkörpern, wie etwa Kupferoxiden, gibt es viele konkur­rierende Effekte und zudem Unrein­heiten, die diese Materi­alien schwer beschreibbar machen. Daher nutzen wir ultra­kalte Atome, um das Verhalten von Elektronen in einem Fest­körper zu simulieren. Wir sind damit in der Lage, sehr reine Proben zu erzeugen, und haben volle Kontrolle über die entschei­denden Parameter des Systems“, erklärt Puneet Murthy vom Zentrum für Quanten­dynamik der Univer­sität Heidelberg.

Zum Einsatz kam bei diesen Experimenten eine Technik, die unter dem Namen Radiofrequenzspektroskopie bekannt ist. Damit untersuchen die Wissen­schaftler, wie Atome auf einen Radiofrequenzpuls ansprechen. Auf diese Weise konnten sie genau feststellen, wann und in welcher Form es zu einer Paar­bildung kam. Die Messungen wurden zudem für verschiedene Wechsel­wirkungs­stärken zwischen den Fermionen durchgeführt. Bei diesen Unter­suchungen stießen die Forscher auf einen exotischen Materie­zustand. Aus der Theorie ist bekannt, dass schwach wechsel­wirkende Fermionen bei derselben Temperatur Paare bilden sollten, bei der sie auch supra­leitend werden. Als jedoch die Wissen­schaftler die Stärke der Wechsel­wirkungen in den Experi­menten erhöhten, beobachteten sie, dass bei starker Wechsel­wirkung die Paar­bildung bereits bei einem Vielfachen der Sprung­temperatur erfolgte.

„Langfristiges Ziel unserer Forschung ist es, ein tieferes Verständnis dieser Phänomene zu erlangen. Dafür starten wir mit kleinen Systemen, die wir Atom für Atom zusammen­setzen“, sagt Jochim. An den Forschungs­arbeiten waren auch Wissen­schaftler des Instituts für Theore­tische Physik sowie Forscher der Simon Fraser University in Vancouver (Kanada) beteiligt.

RKU / OD

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