Forschung

Supraleitung unter Hochdruck

09.05.2018 -
Ein Alkali-dotiertes Fullerid zeigt unter hohem Druck lichtinduzierte Supraleitung.

In der Vergan­genheit haben Wissen­schaftler der Arbeits­gruppe von Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg mehrfach inten­sive Laser­pulse genutzt, um verschie­dene Klassen von Supra­leitern zu stimu­lieren. Unter bestimmten Bedingungen erbrachten sie dabei Beweise für Supra­leitung bei unge­wöhnlich hohen Temperaturen, obwohl dieser Zustand stets nur für den Bruchteil von Sekunden kurzlebig war. Ein wichtiges Beispiel für diesen Effekt ist K3C60, ein aus schwach wechsel­wirkenden C60-Molekülen gebildeter orga­nischer Molekül­kristall, der im Gleich­gewicht unterhalb der Sprung­temperatur von -250°C supra­leitend ist. Bereits vor zwei Jahren zeigte sich, dass maßge­schneiderte Laserpulse, die Schwingungen der C60-Moleküle anregen, einen kurz­lebigen Zustand hoher Leit­fähigkeit mit Eigen­schaften gleich denen eines Supraleiters indu­zieren. Dieser Effekt war bis hinauf zu Tempe­raturen von -170°C – weit oberhalb der Sprung­temperatur – zu beobachten.

Abb.: Die lichtinduzierte Supraleitung in K3C60 wurde unter hohem Druck in einer Diamant-Ambosszelle untersucht. (Bild: J. Harms, MPSD)

Abb.: Die lichtinduzierte Supraleitung in K3C60 wurde unter hohem Druck in einer Diamant-Ambosszelle untersucht. (Bild: J. Harms, MPSD)

Nun gingen die Physiker einen entschei­denden Schritt weiter und betrach­teten den licht­induzierten Zustand in K3C60, während mechanischer Druck unter Verwendung einer Diamant-Amboss­zelle angelegt wurde. Im Gleich­gewicht sorgt dieser Druck für eine Reduzierung der Abstände der C60-Moleküle, wodurch der supra­leitende Zustand des Kalium-dotierten Fullerids geschwächt und die kritische Temperatur deutlich gesenkt wird. „Zu verstehen, ob in K3C60 der licht­induzierte Zustand in gleicher Form reagiert wie der Gleich­gewichts-Supraleiter, ist ein entschei­dender Schritt, um eindeutig die Natur dieses Zustandes zu bestimmen und kann neue Hinweise zum physi­kalischen Mecha­nismus hinter der licht­induzierten Hoch­temperatur-Supra­leitung liefern“, sagt Alice Cantaluppi.

Der mit Licht angeregte K3C60 Fullerid wurde systematisch in einer Spanne vom umge­benden Normaldruck bis zu 2.5 Gigapascal untersucht. Die Forscher beobach­teten eine starke Redu­zierung der Photoleit­fähigkeit mit zuneh­mendem Druck. Dieses Verhalten ist sehr verschieden von dem eines gewöhn­lichen Metalls, aber im Einklang mit der Phänome­nologie eines Supra­leiters und steht daher für die erste eindeutige Inter­pretation des licht­induzierten Zustands in K3C60 als transiente supra­leitende Phase. Wir beobach­teten, dass wir bei stärkerer optischer Anregung einen tran­sienten Supra­leiter auch bei Tempera­turen weit oberhalb der zuvor bestimmten -170°C erreichten, sogar bis hinauf zur Zimmer­temperatur“, sagt Michele Buzzi.

Eine univer­selle Beschreibung des physi­kalischen Mecha­nismus hinter dem Phänomen der licht­induzierten Hoch­temperatur-Supra­leitung in K3C60 fehlt jedoch noch, und das ulti­mative Ziel eines bei Raum­temperatur stabilen Supraleiters ist immer noch nicht greifbar. Nichtsdesto­trotz soll der neuartige Ansatz, der die optische Anregung mit der Anwendung anderer externer Stimuli wie zum Beispiel mecha­nischen Drucks oder magne­tischer Felder, vereint, den Weg in diese Richtung ebnen.

MPSD / JOL