Die Arbeit aus einer Kooperation der Gruppe von Prof. Alessandro Toschi (Institut von Festkörperphysik) mit Kolleg:Innen aus Deutschland und Italien beschäftigt sich mit einer grundlegenden Frage der Festkörperphysik: Wie können Elektronen so miteinander wechselwirken, dass sie ohne Energieverlust Strom leiten – ein Phänomen, das als Supraleitung bekannt ist?
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Neuer Mechanismus könnte Supraleitung bei höheren Temperaturen ermöglichen
Abb. 1 Ausreichend starke elektronische Fluktuationen, gezeigt durch Regionen mit hoher (rot) und niedriger (blau) Dichte können eine beachtliche effektive Wechselwirkung mit dem Ionengitter hervorrufen
In vielen Materialien entsteht Supraleitung dadurch, dass Elektronen über Schwingungen des Kristallgitters (sogenannte Phononen) miteinander gekoppelt werden. Diese Wechselwirkung ist bei normalen Bedingungen jedoch meist ziemlich schwach. Deshalb tritt konventionelle Supraleitung nur bei sehr tiefen Temperaturen auf, die oft nur mit aufwendig gekühltem flüssigem Helium erreichbar sind.
Quantenfeldtheoretische Rechnungen von Emin Moghadas, erster Autor der entsprechenden Publikation, zeigen, dass die Kopplung zwischen Elektronen und Gitterschwingungen, unter bestimmten Bedingungen, überraschend viel verstärkt werden kann. Entscheidend ist dabei das Zusammenspiel der Elektronen untereinander: In stark korrelierten Materialien können kollektive elektronische Fluktuationen die Wechselwirkung mit den Gitter-Schwingungen deutlich intensivieren (Abb. 1).
Abb. 2 Erhöhung elektronischer Korrelationen in der Nähe einer Mott-Hubbard Metall-Isolator Übergang führt zu einer signifikanten Verstärkung der Elektron-Phonon Kopplung.
Dieses Ergebnis von Moghadas et al. ist bemerkenswert, weil es gängigen Erwartungen widerspricht: Bisher ging man davon aus, dass starke Elektronenwechselwirkungen die Kopplung an das Gitter eher schwächen. Neue Rechnungen zeigen hingegen, dass sie in einem bestimmten Regime genau den gegenteiligen Effekt haben können (Abb. 2).
Eine solche Verstärkung eröffnet neue Perspektiven: Sie könnte dazu beitragen, konventionelle Supraleitung bei deutlich höheren Temperaturen zu ermöglichen als bisher angenommen. Gleichzeitig liefert diese Arbeit einen möglichen Schlüssel zum Verständnis von Materialien, deren supraleitende Eigenschaften bislang nicht vollständig erklärt werden können – etwa eisenbasierte Supraleiter.
Langfristig kann dieses neue Verständnis helfen, gezielt Materialien mit verbesserten Eigenschaften zu entwerfen – ein wichtiger Schritt in Richtung energieeffizienter Technologien und neuartiger elektronischer Bauelemente.
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Originalpublikation: „Effective Enhancement of the Electron-Phonon Coupling Driven by Nonperturbative Electronic Density Fluctuations“, Phys. Rev. Lett. 136, 126502 (2026).
DOI: https://doi.org/10.1103/ld8v-qpf8, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster