Quantenmaterial spielt mit der Physik und niemand verstand warum

In der Welt der Festkörperphysik gelten bestimmte Regeln als gesetzt. Eine davon besagt, dass starke Magnetfelder die Supraleitung – also den verlustfreien Transport von elektrischem Strom – zerstören. Doch das Quantenmaterial Uranditellurid, kurz UTe₂, widerspricht genau diesem Prinzip. Es verliert seinen Nullwiderstand zunächst bei steigendem Magnetfeld, gewinnt ihn bei noch höheren Feldstärken jedoch zurück. Ein Team des Institute of Science and Technology Austria hat nun eine Methode entwickelt, um dieses Verhalten physikalisch einzuordnen.

Die Entdeckung eines Grenzgängers

UTe₂ wurde erst 2019 entdeckt und stellt die Forschung seitdem vor grundlegende Fragen. Es gehört zur Klasse der unkonventionellen Supraleiter. Während klassische Vertreter gut verstanden sind, zeigt UTe₂ mehrere supraleitende Phasen, die sich je nach Magnetfeldstärke und -ausrichtung unterscheiden. Besonders auffällig ist die sogenannte reentrante Supraleitung.

Bei etwa 10 Tesla verschwindet der supraleitende Zustand. Zum Vergleich: In der medizinischen Bildgebung arbeiten typische MRT-Systeme mit 1,5 bis 3 Tesla. Steigt das Magnetfeld jedoch auf Werte zwischen 40 und 70 Tesla, kehrt der Nullwiderstand in UTe₂ zurück. Dieser Effekt widerspricht der üblichen Erwartung, dass Magnetfelder die Kopplung der Elektronenpaare destabilisieren und damit Supraleitung unterdrücken.

Dieser Effekt tritt nur auf, wenn das Magnetfeld präzise relativ zum Kristallgitter ausgerichtet ist und die Temperaturen im Bereich weniger Kelvin liegen – also nahe dem absoluten Nullpunkt.

Suche nach dem magnetischen Mechanismus

In klassischen Supraleitern ist der Mechanismus klar: Gitterschwingungen koppeln Elektronen zu Paaren, die sich widerstandslos durch das Material bewegen. Dieses Modell greift bei UTe₂ nicht.

„Bislang gingen Forschende davon aus, dass hinter der Supraleitung in unkonventionellen Supraleitern etwas Magnetisches stecken muss“, erklärt Kimberly Modic. Verwandte Materialien wie UCoGe zeigen tatsächlich magnetische Ordnung.

UTe₂ hingegen besitzt keine langreichweitige magnetische Ordnung. Gleichzeitig treten ausgeprägte magnetische Fluktuationen auf. Genau diese Kombination macht das Material schwer einzuordnen.„Auf den ersten Blick ist also nicht ersichtlich, warum dieses Material einen so besonderen supraleitenden Zustand aufweist“, so Modic.

In der Fachwelt wird UTe₂ zudem als Kandidat für sogenannte Spin-Triplet-Supraleitung diskutiert. Dabei koppeln sich Elektronen anders als in klassischen Supraleitern, was eine höhere Stabilität gegenüber Magnetfeldern erklären könnte.

Ein dynamisches Messverfahren liefert neue Daten

Um den zugrunde liegenden Mechanismus zu verstehen, entwickelte das Team eine neue experimentelle Methode. In Pulsfeldanlagen erzeugten die Forschenden Magnetfelder, die innerhalb von Millisekunden auf bis zu 60 Tesla ansteigen und wieder abfallen.

Die Doktorandin Valeska Zambra leitete die Entwicklung des Messverfahrens. Die Probe – kleiner als ein Sandkorn – wird auf einem Cantilever befestigt und gezielt in Schwingung versetzt.

Durch diese Bewegung verändert sich aus Sicht des Kristalls kontinuierlich die Richtung des Magnetfelds. Dadurch lässt sich eine Größe messen, die bisher unter diesen Bedingungen kaum zugänglich war: die transversale magnetische Suszeptibilität.

„So können wir eine wichtige Eigenschaft messen, auf die unter diesen Bedingungen bisher noch niemand zugegriffen hat“, erklärt Zambra.

Magnetische Fluktuationen als möglicher „Klebstoff“

Die Messdaten zeigen einen klar abgegrenzten Bereich erhöhter transversaler magnetischer Suszeptibilität. Genau in diesem Bereich treten die Bedingungen auf, unter denen später die reentrante Supraleitung beobachtet wird.

Das deutet darauf hin, dass magnetische Fluktuationen eine aktive Rolle spielen. Sie könnten an der Kopplung der Elektronen beteiligt sein und damit den supraleitenden Zustand unter extremen Magnetfeldern stabilisieren.

Damit ergibt sich ein mögliches physikalisches Bild: Nicht Gitterschwingungen, sondern dynamische magnetische Effekte könnten in UTe₂ als Bindungsmechanismus wirken.

Präzision auf kleinstem Maßstab

Ein zentraler Faktor für die Aussagekraft der Ergebnisse ist die Größe der Proben. Das Team arbeitet mit Kristallen, die teilweise dünner als ein menschliches Haar sind. Der Vorteil: Kleinere Proben enthalten weniger strukturelle Defekte. Dadurch lassen sich intrinsische Materialeigenschaften präziser erfassen.

„Die Messung kleiner Proben ist besonders anspruchsvoll“, sagt Modic. „Während viele Techniken größere Kristalle benötigen, funktioniert diese Methode auch in starken Magnetfeldern, wo die Auswahl an verfügbaren Verfahren stark eingeschränkt ist.“

Das Interesse an der Technik wächst entsprechend. Hochfeldlabore weltweit arbeiten daran, den Ansatz zu übernehmen.

Grundlagenforschung mit offenem Ausgang

Noch handelt es sich um reine Grundlagenforschung. Ob sich aus diesem Verhalten konkrete Anwendungen ergeben, ist derzeit nicht absehbar.

Historisch zeigt sich jedoch, dass viele technologische Entwicklungen aus zunächst unverstandenen Effekten hervorgehen. Die Entdeckung der Supraleitung selbst führte erst Jahrzehnte später zu Anwendungen wie der Magnetresonanztomographie.

„Die zufällige Entdeckung der Supraleitung vor über einem Jahrhundert führte schließlich zur Entwicklung der medizinischen Bildgebungstechnik MRT“, sagt Zambra.

Für UTe₂ gilt derzeit vor allem eines: Das Material zwingt bestehende Modelle, erweitert zu werden. „Wir haben es hier möglicherweise mit einer völlig neuen Art von Supraleitung zu tun“, sagt Modic. „Ob sie einmal nützlich sein wird, wissen wir nicht.“

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