Streuung von Röntgenstrahlen durch den untersuchten Kristall
Physiker haben als erste eine Substanz entdeckt, in der beim Übergang in einen supraleitenden Zustand ein Magnetfeld entsteht, während die Verbindung - Uranditellurid UTe2 - außerhalb der supraleitenden Phase keine magnetische Ordnung besitzt, was sie außergewöhnlich macht. Eine Substanz mit solchen Eigenschaften dürfte im Bereich der Quantencomputer äußerst beliebt sein, schreiben die Autoren im Fachmagazin Science.
Supraleitung ist ein makroskopisches Quantenphänomen, das im Phasenübergang bestimmter Substanzen bei niedrigen Temperaturen in einen neuen Zustand ohne elektrischen Widerstand besteht. Es gibt verschiedene Arten von Supraleitern. Die einfachsten davon sind einige reine Metalle, deren Eigenschaften sich nahe dem absoluten Nullpunkt ändern, und ihr Verhalten wird durch die Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)-Theorie gut beschrieben.
Es gibt eine umfangreiche und inhomogene Gruppe atypischer Supraleiter, für die noch keine vollständige theoretische Beschreibung vorgeschlagen wurde. Die Erforschung dieser Stoffe gehört zu einem der wichtigsten und aktivsten Gebiete der Physik der kondensierten Materie, da die meisten Supraleiter mit rekordhohen kritischen Temperaturen genau atypisch sind. Das Fehlen einer umfassenden Theorie erlaubt keine systematische Suche nach Substanzen mit immer besseren Parametern, die sich einem technologisch höchst wünschenswerten Supraleiter mit einer kritischen Temperatur von über null Grad Celsius bei Normaldruck nähern.
Einer der ungewöhnlichsten Supraleiter sind ferromagnetische Supraleiter, die sich durch die Koexistenz dieser Quantenphase der Substanz und eines eigenen Magnetfelds auszeichnen. Diese Kombination ist interessant, da Stoffe in diesem Zustand im Normalfall das Magnetfeld aus ihrem eigenen Volumen herausdrücken, das Auftreten von Supraleitung stören und deren Auftreten oberhalb des kritischen Wertes vollständig verhindern. Ein weiteres Merkmal ist, dass die meisten der bekannten ferromagnetischen Supraleiter Uranverbindungen wie UGe2, URhGe und UCoGe sind.
Wie in vielen anderen "unkonventionellen" Fällen ist eine allgemeine Theorie der ferromagnetischen Supraleitung noch nicht erstellt worden. Physiker haben versucht, dieses Phänomen auf unterschiedliche Weise zu beschreiben, aber in letzter Zeit wurde die Hypothese der Triplett-Supraleitung am weitesten entwickelt.
Es wird angenommen, dass jede Supraleitung mit der Fähigkeit von Elektronengruppen verbunden ist, sich zu verbinden, wodurch sie ihre fermionische Essenz verlieren und die Eigenschaften von Bosonen erwerben können. Als Ergebnis hört das Pauli-Ausschlussprinzip auf, auf sie zu wirken, und sie können alle den niedrigsten Energiezustand einnehmen, in dem sie sich bewegen, ohne am Kristallgitter zu streuen. In gewöhnlichen Supraleitern, die von der BCS-Theorie beschrieben werden, verbinden sich Elektronen mit entgegengesetzten Spins zu zweien, dh sie bilden Cooper-Paare, die Bosonen mit Nullspin sind - ein Singulett. Triplett-Supraleitung legt nahe, dass eine Paarung von Elektronen mit unidirektionalen Spins möglich ist, was zu drei möglichen Eigenzuständen mit Spin gleich eins führt.
Ein von Nicholas Butch vom US National Institute of Standards and Technology und seinen amerikanischen Kollegen geleitetes Papier beschrieb die Eigenschaften einer neuen Uranverbindung, die der Triplett-Supraleitung verdächtigt wird, Uranditellurid Ute2. Ute2 ist wie andere ferromagnetische Supraleiter extrem resistent gegen ein Magnetfeld und verlässt den Quantenzustand erst bei Feldern über 40 Tesla (etwa eine Million Mal stärker als das Erdfeld), während für reine Stoffe das kritische Feld in der Regel ist nicht höher als ein Tesla und nur komplexe Verbindungen der YBCO-Klasse benötigen stärkere Felder.
UTe2 ist jedoch in mehreren Parametern gleichzeitig einzigartig: Es zeichnet sich durch eine deutlich höhere kritische Temperatur aus als andere ferromagnetische Supraleiter (1, 6 Kelvin gegenüber nicht mehr als 0,8) und vor allem ist es im Normalzustand ein Paramagnet, und nicht ferromagnetisch wie alle anderen. Ein Paramagnet unterscheidet sich von einem Ferromagneten durch das Fehlen einer magnetischen Ordnung und folglich durch das Fehlen eines eigenen Magnetfelds. Wenn ein Ferromagnet über den Curie-Punkt erhitzt wird, können thermische Fluktuationen keine magnetische Ordnung aufbauen und die Substanz wird zu einem Paramagneten. Die untersuchte Uranverbindung besitzt nur zusammen mit Supraleitung magnetische Ordnung.
Es stellt sich heraus, dass UTe2 normalerweise keine eigene Magnetisierung besitzt, nur in Gegenwart eines äußeren Feldes kann eine induzierte auftreten, aber in der supraleitenden Phase erhält es ein eigenes Feld. Die Autoren glauben, dass Ute2 geeignete Eigenschaften für den Bau einiger Arten von Quantencomputern aufweist. Insbesondere die Fähigkeit, einen supraleitenden Zustand in Gegenwart eines externen Magnetfelds aufrechtzuerhalten, sollte bei der Verwendung von UTe2 als Material für supraleitende Qubits Robustheit gegenüber Fehlern bieten.
Physiker sahen kürzlich topologische Supraleitung in einem eisenbasierten Material und fanden einen ungewöhnlichen magnetischen Effekt in einem neuen Supraleiter auf Basis von Wismutselenid. Graphen ist im Kontext der Supraleitung von besonderem Interesse – es zeigte sich beispielsweise, dass sich der Quantenzustand eines Übergitters aus dreilagigem Graphen steuern lässt.
