Elektronen – oder was fließt da?
»Seltsame Metalle« - wie Supraleitung funktioniert
Wie die »Hochtemperatur-Supraleitung« funktioniert, ist immer noch eines der großen Rätsel der modernen Physik. »Seltsame Metalle« könnten der Schlüssel für die Erklärung sein. Jetzt ist ein entscheidender Durchbruch gelungen.
Was passiert, wenn elektrischer Strom durch ein »seltsames Metall« fließt? Die TU Wien und die Rice University haben gezeigt: Das etablierte Bild von Elektronen und »Quasielektronen« bricht zusammen.
Aus ihren Ergebnissen ergeben sich neue Ideen, um die ungewöhnlichen Materialeffekte zu beschreiben. »Diese Ideen lassen sich dann auch auf andere Klassen von Hochtemperatur-Supraleitern übertragen«, erklärt Prof. Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. »Wir hoffen, dass dadurch eine neue, bessere Theorie der Hochtemperatur-Supraleitung entstehen kann, damit es möglich wird, bessere Supraleiter mit noch deutlich höherer Sprungtemperatur zu entwickeln – das wäre ein gewaltiger technologischer Erfolg.«
Auf den ersten Blick klingt alles so einfach: In einem Kabel befinden sich Elektronen, und wenn wir eine Spannung anlegen, flitzen die Elektronen von einer Seite des Kabels zur anderen und es fließt ein elektrischer Strom. Dieses Bild ist nicht ganz falsch – aber richtig ist es auch nicht.
Denn tatsächlich können sich in einem Festkörper die Elektronen nicht frei bewegen. Stattdessen kommt es zu komplizierten Wechselwirkungen zwischen vielen verschiedenen Teilchen. Dadurch wird der Ladungstransport im Material etwas träge – so als hätten die Elektronen im Material eine größere Masse.
Mathematisch kann man das elegant beschreiben, indem man den Stromfluss durch das Material nicht mit gewöhnlichen Elektronen, sondern mit »Quasielektronen« beschreibt, die zwar dieselbe elektrische Ladung tragen, aber eine größere Masse haben.
Elektronen – oder was fließt da?
In bestimmten Materialien, in sogenannten »Seltsamen Metallen« (Strange Metals), bricht dieses Bild allerdings völlig zusammen.
»Im Gegensatz zu einfachen Metallen wie Kupfer oder Gold scheint der elektrische Widerstand in seltsamen Metallen nicht durch die thermische Bewegung der Atome bedingt zu sein, sondern durch bestimmte Quantenfluktuationen«, erklärt Bühler-Paschen. Der Strom scheint weder von Elektronen noch von Quasielektronen transportiert zu werden, sondern als Kontinuum zu fließen.
Dieses Phänomen in »Seltsamen Metallen« ist eng mit der Supraleitung verwandt: Viele Klassen von Hochtemperatursupraleitern zeigen dieses »seltsame Metall«-Verhalten.
Jobangebote+ passend zum Thema
Bei der Forschung an diesen Materialien gelang nun ein wichtiger Durchbruch: Ein Forschungsteam der TU Wien und der Rice University (Houston, Texas) entwickelte ein neues Verfahren, mit dem extrem dünne Schichten aus solchen Materialien hergestellt werden können, um sie dann zu durchleuchten. So kann man wichtige Daten über diese Materialien ermitteln, die sich sonst nicht messen lassen, und neue Theorien der Hochtemperatur-Supraleitung entwickeln. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal »Science« publiziert.
Quasiteilchen
Quasiteilchen – wie in diesem Fall die Quasielektronen – sind keine Teilchen im üblichen Sinn. Man kann sie nicht aus dem Material herausholen und separat aufbewahren. Sie sind ein Konzept, mit dem man die Bewegung von Ladung durch ein Material auf relativ einfache Weise beschreiben kann, auch wenn es zu komplizierten Wechselwirkungen kommt.
»Auch wenn man den Stromfluss mit Quasielektronen statt mit Elektronen beschreibt, bleibt der Grundgedanke trotzdem gleich: Der Strom wird in diskreten Portionen transportiert, die alle genau eine Elementarladung tragen und einzeln detektiert werden können«, sagt Prof. Silke Bühler-Paschen.
Schrotrauschen: Die Portioniertheit der Ladung
Nun aber untersuchte das Team ein ganz bestimmtes Material aus Ytterbium, Rhodium und Silizium (YbRh2Si2), ein bekannter Vertreter der Klasse der »Seltsamen Metalle«. Schon in vergangenen Jahren konnten Bühler-Paschen und ihr Team immer wieder zeigen, dass diese Materialien verblüffende Eigenschaften aufweisen, etwa einen ungewöhnlichen Zusammenhang zwischen elektrischem Widerstand und Temperatur.
Diesmal ging man der Frage nach, in welcher Form elektrischer Strom durch ein solches Metall fließt. Das lässt sich untersuchen, indem man zeitliche Fluktuationen in der Stromstärke misst – das sogenannte Schrotrauschen.
Schrotrauschen kennt man auch aus der klassischen Physik – etwa vom Geräusch des Hagels, der auf ein Blechdach prasselt. Dieses Rauschen kommt dadurch zustande, dass der Hagel in diskreten Portionen auf dem Dach eintrifft – in Form von Hagelkörnern. Würde sich dieselbe Niederschlagsmenge als Kontinuum auf das Dach ergießen, etwa als völlig gleichmäßiger Wasserstrahl, dann wäre dieses Rauschen nicht zu hören.
Dasselbe gilt für elektrischen Strom: Wenn er in diskreten Portionen ankommt, ist eine bestimmte Sorte von Rauschen zu erwarten. »Das Schrotrauschen ist einfach durch den granularen Charakter des Stromflusses bedingt. Da ein Quasielektron die gleiche diskrete Ladung hat wie ein freies Elektron, nämlich die Elementarladung, erwartet man, dass dieses Schrotrauschen immer gleich ist. Auch in einem Material, in dem es zu sehr starken Wechselwirkungen kommt und die Quasiteilchen eine um Größenordnungen erhöhte effektive Masse haben«, erklärt Silke Bühler-Paschen.
Niedriges Rauschen – als wären da keine Elektronen
Um das Schrotrauschen im Seltsamen Metall direkt messbar zu machen, mussten zunächst nanoskopische Drähte gefertigt werden. Dies gelang mithilfe einer Molekularstrahlepitaxie-Anlage im Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen (ZMNS) der TU Wien und einem an der Rice University entwickelten Nanostrukturierungsverfahren.
Das Ergebnis war überraschend: »Es zeigte sich ein extrem niedriges Schrotrauschen«, sagt Silke Bühler-Paschen. »Es ist, als würde die elektrische Ladung nicht, wie man das sonst kennt, von diskreten Quasielektronen transportiert, sondern eher kontinuierlich.«
Ein Modell des ebenfalls an der Studie beteiligten Theoretikers Qimiao Si (Rice University) hatte das »Auseinanderbrechen« von Kondo-artigen Quasiteilchen in bestimmten »Strange Metals« zwar bereits vorhergesagt, dass nun aber gar kein Quasiteilchen mehr vorzuliegen scheint, war doch unerwartet.
Ein neues Bild für Stromfluss
»Was in diesem Seltsamen Metall passiert, ist anders als alles, was wir bisher bei anderen Materialien gesehen haben«, sagt Silke Bühler-Paschen. »Wir stellen uns vor, dass sich die Teilchen in diesem Material in einem hochverschränkten Zustand befinden, in dem das Bild der Quasiteilchen, das bei anderen Materialien sonst so gute Dienste leistet, völlig zusammenbricht.«
Was stattdessen im Detail passiert, ist derzeit noch unklar. »Wir müssen überhaupt erst das richtige Vokabular dafür entwickeln, um darüber zu reden, wie Ladung kollektiv durch ein solches Material transportiert werden kann«, beschreibt es Doug Natelson von der Rice University.
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Superschnelle Simulation
Dem Supraleiter-Geheimnis auf der Spur
Quantensimulator öffnet den Weg
Supraleitung bei sehr hohen Temperaturen
Nickelate-Struktur erstmals ermittelt
Hoffnung für Supraleitung
