Neuer Kagome-Supraleiter entdeckt

Die Entdeckung einer neuartigen Form der Supraleitung in Kagome-Metallen sorgt für Aufsehen in der Fachwelt. Forschende haben nachgewiesen, dass sich supraleitende Cooper-Paare wellenförmig im Untergitter dieser Materialien verteilen können. Diese neue Erkenntnis bestätigt die Vorhersagen eines Würzburger Forscherteams vom Februar 2023. Die als „Untergitter-Modulierte-Supraleitung“ bezeichnete Theorie eröffnet faszinierende Perspektiven für innovative Anwendungen wie supraleitende Dioden. Der experimentelle Nachweis gelang mithilfe eines hochmodernen Rastertunnelmikroskops, das eine supraleitende Spitze nutzt – eine Technik, die auf einem mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Effekt basiert.

Kagome-Materialien stehen seit mehr als 15 Jahren im Fokus der Wissenschaft. Ihre charakteristische sternförmige Struktur erinnert an ein traditionelles japanisches Flechtmuster. Erst 2018 gelang es, metallische Varianten dieser faszinierenden Materialklasse im Labor zu synthetisieren. Kagome-Metalle vereinen aufgrund ihrer Kristallgeometrie außergewöhnliche elektronische, magnetische und supraleitende Eigenschaften. Diese Kombination macht sie zu vielversprechenden Kandidaten für zukünftige Quantentechnologien. Ronny Thomale, Professor am Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat, leistete mit frühen theoretischen Prognosen relevante Vorarbeiten.

Supraleiter bringen Materialforschung voran

Die ersten Erkenntnisse aus dem Jahr 2023 beinhalten eine Theorie zur Supraleitung in Kagome-Metallen. Dabei standen die wellenförmige Verteilung der Cooper-Paare in den Untergittern des Materials im Mittelpunkt. Wichtig dabei: Jede sogenannte „Sternzacke“ beherbergt eine variierende Anzahl von Cooper-Paaren. Ein internationales Experiment hat diese Theorie nun erstmals direkt bestätigt und damit die bisherige Annahme einer gleichmäßigen Verteilung der Cooper-Paare in Kagome-Metallen widerlegt. Cooper-Paare, benannt nach dem Physiker Leon Cooper, entstehen bei extrem niedrigen Temperaturen aus jeweils zwei Elektronen und bilden die Grundlage für Supraleitung. Sie können kollektiv einen Quantenzustand formen und sich widerstandsfrei durch den Supraleiter bewegen.

Die Forschung an Kagome-Metallen wie Kalium-Vanadium-Antimon (KV3Sb5) konzentrierte sich zunächst auf die Quanteneffekte einzelner Elektronen, die ebenfalls wellenförmig im Material verteilt sein können, ohne supraleitend zu sein. Nach der experimentellen Bestätigung der Theorie zu Ladungsdichtewellen vor zwei Jahren intensivierten die Forschenden ihre Suche nach weiteren Quanteneffekten bei ultratiefen Temperaturen. Diese Bemühungen führten schließlich zur Entdeckung des Kagome-Supraleiters. Thomale betont jedoch, dass die weltweite Forschung zu Kagome-Materialien noch in den Kinderschuhen steckt.

Kagome-Metalle: Quantenphysik in neuen Dimensionen

Die Quantenphysik kennt den Effekt der Paar-Dichte-Welle als spezielle Form eines supraleitenden Kondensats. Ähnlich wie Wasserdampf beim Abkühlen kondensiert und flüssig wird, ordnen sich Elektronen in Kagome-Metallen bei ultratiefen Temperaturen um –193 Grad Celsius neu und verteilen sich wellenförmig im Material. Bei weiterer Abkühlung auf nahezu den absoluten Nullpunkt (–272 Grad Celsius) bilden die Elektronen Cooper-Paare. Diese kondensieren zu einer Quantenflüssigkeit, die sich ebenfalls wellenförmig im Material verteilt und widerstandsfreie Supraleitung ermöglicht. Die Wellenform wird somit von den einzelnen Elektronen auf die Cooper-Paare übertragen.

Bisherige Forschungen zu Kagome-Metallen konnten sowohl Supraleitung als auch die räumliche Verteilung von Cooper-Paaren nachweisen. Das Ergebnis der neuen Studien zeigt jedoch, dass die Cooper-Paare innerhalb der atomaren Untergitter des Materials nicht nur gleichmäßig, sondern auch wellenförmig verteilt sein können. Dieses Phänomen wird als „Untergitter-Modulierte-Supraleitung“ bezeichnet. Die Forschenden betonen, dass diese Kombination von Quanteneffekten enormes Potenzial birgt und suchen nun nach Kagome-Metallen, in denen die Cooper-Paare räumlich moduliert sind, ohne dass zuvor Ladungsdichtewellen entstehen.

Supraleiter im Fokus der Quantenforschung

Der experimentelle Nachweis der wellenförmig verteilten Cooper-Paare in Kagome-Metallen gelang Jia-Xin Yin an der Southern University of Science and Technology in Shenzhen, China. Dafür kam ein Rastertunnelmikroskop mit einer supraleitenden Spitze zum Einsatz, das die Cooper-Paare direkt detektieren kann. Die Mikroskop-Spitze, deren Ende aus nur einem einzigen Atom besteht, basiert auf dem nobelpreisgekrönten Josephson-Effekt. Dabei fließt ein supraleitender Strom zwischen der Spitze und der Probe, wodurch die Verteilung der Cooper-Paare unmittelbar gemessen werden kann.

„Die aktuellen Forschungsergebnisse sind ein weiterer Meilenstein auf dem Weg zu energieeffizienten Quantenbauelementen. Zurzeit ist das zwar noch Zukunftsmusik, weil wir die Quanteneffekte nur auf atomarem Level sehen können. Sobald die Kagome-Supraleitung aber auf makroskopischer Ebene funktioniert, werden solche supraleitenden Bauteile möglich. Das treibt die Grundlagenforschung an“, sagt Thomale. Das längste supraleitende Kabel der Welt wurde bereits in München verlegt, doch an supraleitenden elektronischen Bauteilen wird noch intensiv geforscht. Erste supraleitende Dioden wurden im Labor realisiert, benötigen jedoch eine Kombination verschiedener supraleitender Materialien. Kagome-Supraleiter mit räumlich modulierten Cooper-Paaren könnten hingegen selbst als Dioden fungieren, was sie für die supraleitende Elektronik und verlustfreie Schaltungen äußerst attraktiv macht.