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Im Zentrum stehen die Spin-Fluktuationen

Eine an der TU Wien entwickelte Methode konnte nun zeigen, welcher Mechanismus die Elektronenpaare in unkonventionellen Supraleitern zusammenhält.

Portrait von Alessandro Toschi, im Hintergrund eine Tafel.

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Professor Alessandro Toschi

Zweigeteiltes Bild: links befindet sich eine Skizze von Ladungsfluktuationen von Elektronen, darunter eine Erd-zentrierte Darstellung unseres Sonnensystems. Rechts werden die Spinfluktuationen skizziert, darunter ein Sonnen-zentriertes System

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Mit den Spin-Fluktuationen im Zentrum wird die theoretische Beschreibung am aussagekräftigsten.

Ein und dasselbe Phänomen lässt sich auf unterschiedliche Weise beschreiben. Je nachdem, welche Perspektive man wählt, kann eine theoretische Rechnung die beobachtete Physik mehr oder weniger gut beschreiben. Alessandro Toschi vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien und sein Team entwickelten, im Rahmen einer internationalen Kooperation, bereits 2015 eine theoretische Methode, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, mit der sich die beste Betrachtungsweise für Fragen der Festkörperphysik bestimmen lässt.   

Seitdem entwickelte das Forschungsteam diese „diagnostische“ Methode weiter und wendete sie kürzlich, gemeinsam mit Forschenden der University of Michigan in Ann Arbor und des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart, auf unkonventionelle Supraleiter an. Ihre Ergebnisse publizierten die Forschenden kürzlich in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS).

Eine Frage des Einflusses

Die Idee, die dieser Methode zugrunde liegt, lässt sich am besten mithilfe einer Analogie beschreiben: In der klassischen Mechanik gibt es mehrere Möglichkeiten, die Bewegung von Himmelskörpern zu beschreiben. Betrachten wir beispielsweise die Erde als Mittelpunkt des Sonnensystems, so wird die Beschreibung schnell unübersichtlich und kompliziert. Wenn jedoch die Sonne in den Mittelpunkt des Modells rückt, wird die theoretische Beschreibung deutlich eleganter und aussagekräftiger.

Ähnlich verhält es sich mit den verschiedenen Einflussgrößen unkonventioneller Supraleiter. Ihr elektrischer Widerstand sinkt – ebenso wie bei konventionellen Supraleitern – sprunghaft unter einer gewissen Temperaturschwelle auf exakt null, was es ermöglicht, Strom verlustfrei zu leiten und zu speichern. Um diesen besonderen Zustand zu realisieren, müssen sich die Elektronen des Festkörpers zu Paaren binden – trotz der gegenseitigen Abstoßung. Dieses rein quantenphysikalische Phänomen kann durch verschiedene Mechanismen ausgelöst werden. Während in konventionellen Supraleitern der Wechselwirkung zwischen den Elektronen und den Atomrümpfen eine zentrale Rolle zukommt, ist dieser Effekt in unkonventionellen Supraleitern meist zu vernachlässigen. Hier ist nämlich die abstoßende Wechselwirkung zwischen den Elektronen von größerer Bedeutung.

Theorie und Praxis

Lange Zeit war jedoch umstritten, durch welchen mikroskopischen Mechanismus diese Abstoßung zwischen den Elektronen überwunden wird und somit Paare gebildet werden können – der sogenannte „Pairing Glue“, wie Alessandro Toschi erklärt. Insbesondere ist die Frage, welche Art von Fluktuation (z. B. Spin oder Ladung) die Elektronenpaare in unkonventionellen Supraleitern zusammenhält. „Die Kollegen von der University of Michigan wollten daher ihre Resultate für eine Rechnung, die für die Materialklasse der Cuprate gedacht war, mit unserer ‚Diagnostik‘-Methode analysieren“, berichtet Toschi. Diese unkonventionellen Supraleiter, die ein kupferhaltiges Anion enthalten, wurden bereits 1986 entdeckt und stellen die Physik seitdem vor Rätsel.   

Die zentrale Frage, die die Forschenden beantworten wollten ist, in welcher Formulierung die Physik am transparentesten ist. Denn nur einer der in Frage kommenden Fluktuations-Typen ist für die Elektronenpaarbindung verantwortlich. „Wir konnten schließlich zeigen, dass die (antiferromagnetischen) Spin-Fluktuationen jene sind, die hinter der Physik unkonventioneller Supraleiter stecken. Wechselt man die Perspektive und rückt hingegen die Ladungs-Fluktuationen in den Fokus, erhält man eine unbrauchbare Darstellung der Physik“, sagt Alessandro Toschi. Um bei der Sonnensystem-Analogie zu bleiben, entsprechen die Spin-Fluktuationen folglich jenem Bezugsystem, bei dem die Sonne im Mittelpunkt steht.

Während in der vorliegenden Studie ausschließlich Cuprate untersucht wurden, lassen sich diese Ergebnisse höchstwahrscheinlich auch auf die Materialklasse der Nickelate übertragen, die ebenso wie die Cuprate zu den unkonventionellen Supraleitern zählen.

Das Rätsel löst sich

Mit seinen Ergebnissen trägt das Forschungsteam nicht nur dazu bei, den Mechanismus unkonventioneller Supraleiter besser zu verstehen. Auch ermöglicht die Erkenntnis, dass die Spin-Fluktuationen der entscheidende Faktor sind, theoretische Rechnungen zu vereinfachen und gleichzeitig bessere Vorhersagen zu treffen. „Zuvor handelte es sich bei unserer Methode nur um ein theoretisches Tool. Indem wir den praktischen Bezug herstellen konnten, hat sich die Methode als eine der wichtigsten Anwendungen für ein Problem entwickelt, das die wissenschaftliche Community seit knapp 40 Jahren versucht zu lösen“, resümiert Alessandro Toschi. „Unser ‚Diagnostik‘-Tool liefert eindeutige Antworten auf zuvor offene Fragen.“

Aber auch die Gesellschaft kann – perspektivisch betrachtet – von den grundlegenden Erkenntnissen profitieren. Gelingt es in Zukunft, Supraleiter bei höheren Temperaturen und Normaldruck einzusetzen, könnten sie helfen, das Problem der Energiespeicherung zu lösen, das bei der Nutzung erneuerbarer Energien limitierend ist. 

Originalpublikation

Dong, X., Del Re L., Toschi. A., Gull E. (2022). Mechanism of superconductivity in the Hubbard model at intermediate interaction strength, PNAS. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2205048119, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Rückfragehinweise

Prof. Alessandro Toschi
Institut für Festkörperphysik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 137 62
toschi@ifp.tuwien.ac.at

Aussenderin:

Sarah Link, MA
PR und Marketing
Technische Universität Wien
pr@tuwien.ac.at