Supraleiter transportieren Strom ohne elektrischen Widerstand. Trotzdem können in ihnen Energieverluste entstehen. Forschende aus den USA und Estland haben jetzt mit unsichtbarem Terahertzlicht untersucht, was in winzigen magnetischen Wirbeln geschieht. Dabei entdeckten sie deutliche Unterschiede zwischen zwei Arten von Quasiteilchen.
Supraleiter werden überall dort eingesetzt, wo besonders starke Magnetfelder benötigt werden – beispielsweise in Magnetresonanztomografen und Teilchenbeschleunigern. Ihr großer Vorteil: Unterhalb einer bestimmten Temperatur können sie Gleichstrom ohne elektrischen Widerstand transportieren. Doch starke Magnetfelder können winzige Wirbel im Material erzeugen. Wenn sich diese bewegen, entstehen Energieverluste.
Was im Inneren solcher Wirbel vor sich geht, lässt sich nur schwer untersuchen. Ein internationales Forschungsteam der Rutgers University und des National Institute of Chemical Physics and Biophysics in Estland hat dafür nun eine neue Möglichkeit gefunden. Mit Terahertzstrahlung konnten die Wissenschaftler unterschiedliche Quantenzustände in den Wirbelkernen getrennt untersuchen. Die Ergebnisse erschienen am 23. Oktober 2026 in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.
Warum Supraleiter trotz Nullwiderstand Energie verlieren
In vielen Supraleitern können Magnetfelder in Form winziger Flusswirbel in das Material eindringen. Um jeden Wirbel fließt ein elektrischer Strom. Im schmalen Kern ist die Supraleitung stark unterdrückt, während das umgebende Material weiterhin supraleitend bleibt.
Solange die Wirbel an ihrem Platz bleiben, verursachen sie bei einem konstanten Stromfluss nicht zwangsläufig Energieverluste. Bewegen sie sich jedoch unter dem Einfluss des Stroms, kann elektrische Energie in Wärme umgewandelt werden.
Für technische Anwendungen ist es deshalb wichtig, die Bewegung dieser Wirbel zu begrenzen. Dazu müssen Forschende zunächst verstehen, wie die Wirbel aufgebaut sind und welche physikalischen Vorgänge sich in ihrem Inneren abspielen.
„Um Supraleiter zu verbessern, müssen Wissenschaftler verstehen, was die Wirbel enthalten und wie sie sich verhalten“, erklärt Girsh Blumberg, Physikprofessor an der Rutgers University und Mitautor der Studie, in einer Pressemitteilung der Universität. „Diese Studie bietet eine neue Möglichkeit, in ihr Inneres zu blicken.“
Was sich im Inneren der magnetischen Wirbel verbirgt
Bereits 1964 sagten Physiker voraus, dass sich in den Wirbelkernen besondere Quantenzustände bilden. Sie werden als Caroli-de-Gennes-Matricon-Zustände bezeichnet. In ihnen können Quasiteilchen nur bestimmte Energien annehmen. Diese Energieniveaus lassen sich mit den Stufen einer Leiter vergleichen: Um von einer Stufe zur nächsten zu gelangen, muss ein Quasiteilchen genau die passende Energiemenge aufnehmen.
Quasiteilchen sind dabei keine zusätzlichen Elementarteilchen. Der Begriff beschreibt Anregungen innerhalb eines Materials, die sich mathematisch ähnlich wie eigenständige Teilchen behandeln lassen. Die Existenz solcher Zustände war bereits experimentell bekannt. Schwieriger war es bislang, die unterschiedlichen Anregungen in den Wirbelkernen voneinander zu unterscheiden.
Eine ähnliche Herausforderung bei der Untersuchung elektronischer Zustände behandelte kürzlich ein Forschungsteam der Rice University. Dort gelang es, mit einer neuen MagnetoARPES-Methode verborgene Elektronenordnungen in Supraleitern sichtbar zu machen.
Wie unsichtbares Licht die Quantenzustände unterscheidet
Für ihre Untersuchung stellten die Forschenden an der Rutgers University besonders dünne Schichten aus Eisen, Tellur und Selen her. Jede Schicht war lediglich 40 nm dick – ungefähr tausendmal dünner als ein menschliches Haar. Das Material besitzt sehr kleine Wirbelkerne. Dadurch liegen die einzelnen Energieniveaus weiter auseinander als bei vielen herkömmlichen Supraleitern und lassen sich besser unterscheiden.
Die eigentlichen Messungen fanden in Tallinn statt. Dort kühlten die Forschenden die Proben auf etwa −261 °C ab und setzten sie starken Magnetfeldern aus. Anschließend schickten sie Terahertzstrahlung durch die dünnen Schichten. Terahertzstrahlung gehört wie sichtbares Licht zu den elektromagnetischen Wellen. Ihre Frequenzen liegen zwischen denen von Mikrowellen und Infrarotstrahlung. Für das menschliche Auge ist sie unsichtbar.
Entscheidend war die Polarisation der Strahlung. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verwendeten elektromagnetische Wellen, deren elektrisches Feld sich während der Ausbreitung entweder rechts- oder linksherum dreht. Dabei reagierten zwei Arten von Quasiteilchen unterschiedlich: Elektronenartige Anregungen sprachen auf die eine Drehrichtung an, lochartige auf die entgegengesetzte. Lochartige Anregungen beschreiben vereinfacht das Verhalten fehlender Elektronen in einem ansonsten besetzten elektronischen Zustand.
„Indem man nach diesen Übergängen mit Licht unterschiedlicher Drehrichtung sucht, kann man sie voneinander trennen“, erläutert Blumberg in der Rutgers-Pressemitteilung.
Die Methode wird als Terahertz-Faraday-Magnetooptik bezeichnet. Die Forschenden untersuchten, wie sich die Polarisation der Strahlung beim Durchgang durch das Material im Magnetfeld verändert.
Aus den gemessenen Resonanzen und ihrer mathematischen Auswertung konnten sie unter anderem bestimmen, wie lange die angeregten Zustände bestehen bleiben. Außerdem ermittelten sie die Kohärenzlängen, die effektiven Massen der Wirbel und obere kritische Magnetfelder. Die effektive Wirbelmasse beschreibt dabei die Trägheit, die der Bewegung eines Flusswirbels zugeordnet wird.
Warum zwei ähnliche Supraleiter unterschiedlich reagieren
Besonders aufschlussreich war der Vergleich zweier Materialproben. Beide bestanden aus Eisen, Tellur und Selen, enthielten aber unterschiedliche Mengen an Selen. Ihre Sprungtemperaturen lagen nahezu gleichauf. Beide Materialien wurden also bei ungefähr derselben Temperatur supraleitend.
Im Inneren ihrer magnetischen Wirbel zeigten sich dagegen deutliche Unterschiede. Die Auswertung ergab für eine Probe ein Verhältnis von annähernd vier zu eins zwischen den beiden untersuchten Quasiteilchenarten. In der anderen Probe waren sie ungefähr gleich stark vertreten.
Auch die Energien der Übergänge zwischen den Quantenzuständen und deren Lebensdauern unterschieden sich. Die Ergebnisse zeigen, dass die Sprungtemperatur allein nicht ausreicht, um die Eigenschaften eines Supraleiters vollständig zu beschreiben. Selbst Materialien mit ähnlicher Sprungtemperatur können sich in ihren Wirbelkernen deutlich unterscheiden.
Dass die chemische Zusammensetzung die elektronischen Eigenschaften solcher Materialien beeinflusst, ist bereits aus anderen Untersuchungen bekannt. So berichtete ingenieur.de im Februar darüber, wie sich bestimmte Quantenzustände in Eisen-Tellurid-Selenid durch Änderungen der Materialzusammensetzung gezielt einstellen lassen. Die neue Studie ergänzt dieses Wissen um die Vorgänge innerhalb der magnetischen Wirbel.
Quellen
- Physical Review Letters: Chirality-Resolved Spectroscopy of Caroli–de Gennes–Matricon States in Multiband FeTe₁₋ₓSeₓ Superconductors – Originalstudie vom 23. Oktober 2026, DOI: 10.1103/wrds-99zb.
- Rutgers University: Scientists Use Light to Reveal the Hidden Workings of Superconductors – Pressemitteilung vom 28. Oktober 2026.
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