Supraleitfähigkeit: diese Entdeckung könnte unser Verständnis von Elektrizität neu definieren ⚡
Supraleitfähigkeit ist ein Zustand, in dem Elektrizität ohne Widerstand fließt. Das bedeutet, dass keine Energie in Form von Wärme verloren geht, ein Traum für Anwendungen im Energiebereich. Entdeckt im Jahr 1911 mit extrem kaltem Quecksilber, findet sich dieses Phänomen in einer Vielzahl von Materialien.
Der Meissner-Effekt: eine Manifestation der Supraleitfähigkeit
Supraleiter werden in zwei Typen unterteilt: Typ-I-Supraleiter, wie Blei, und Typ-II-Supraleiter, wie Cuprate. Letztere weisen ein größeres Anwendungspotenzial auf, da sie bei höheren Temperaturen arbeiten und widerstandsfähiger gegenüber Magnetfeldern sind.
Allerdings entziehen sich die Cuprate einer einfachen Erklärung. Obwohl die BCS-Theorie (Bardeen-Cooper-Schrieffer) die Supraleitfähigkeit in herkömmlichen Metallen beschreibt, versagt sie angesichts der komplexen Natur der Cuprate. Diese Materialien zeigen ungewöhnliche Verhaltensweisen, insbesondere die sogenannten Fermi-Bögen.
Die Fermi-Bögen illustrieren bevorzugte Richtungen der Elektronenbewegungen. Diese überraschenden Kurven sind repräsentativ für die untypischen Verhaltensweisen der Elektronen in Cupraten. Diese Richtungsbeschränkung stellt die traditionellen theoretischen Modelle vor große Herausforderungen.
Ein bedeutender Durchbruch wurde von einem Team der Technischen Universität Wien erzielt. Mit innovativen Techniken konnten sie diese Bögen mithilfe von Lasern sichtbar machen. Dadurch wurden theoretische Modelle entwickelt, die diese Wechselwirkungen besser erklären.
Fermi-Oberfläche (blau) und Luttinger-Oberfläche (grau) für das vorgeschlagene Modell (links) und das Hubbard-Modell (rechts).
Die Forscher betonten, dass magnetische Wechselwirkungen, insbesondere der Antiferromagnetismus, wesentlich zum Verständnis des Elektronenverhaltens in Cupraten sind. Bei diesem Phänomen richten sich die magnetischen Momente der Atome nicht in dieselbe Richtung, sondern abwechselnd aus. Diese Anordnung ähnelt einem Schachbrett, auf dem jedes Feld ein Atom repräsentiert, und die magnetischen Orientierungen zwischen zwei entgegengesetzten Richtungen wechseln.
Konkret bedeutet dies, dass, wenn ein Atom sein magnetisches Moment nach oben ausgerichtet hat, das benachbarte Atom sein Magnetmoment nach unten ausrichtet, und so weiter. Diese Konfiguration erzeugt ein komplexes Magnetfeld auf mikroskopischer Ebene, das die Bewegung der Elektronen beeinflusst. Diese antiferromagnetischen Wechselwirkungen legen Einschränkungen auf die quantenmechanischen Zustände, die die Elektronen einnehmen können, und beschränken ihre Bewegungen auf bestimmte Richtungen.
Die Art und Weise, wie diese magnetischen Momente interagieren, bestimmt somit die elektronische Dynamik in den Cupraten und trägt zur Entstehung der Fermi-Bögen bei, die in diesen Materialien beobachtet werden.
Dieser Fortschritt eröffnet neue Forschungsbereiche zu Materialien mit unkonventionellen Eigenschaften. Durch ein besseres Verständnis der Fermi-Bögen werden innovative Anwendungen möglich, etwa im Bereich der Energiesysteme und der Quantencomputer.
Die Supraleitfähigkeit mit ihren weitreichenden Implikationen könnte unsere Beziehung zu Energie und Technologie verändern. Möglicherweise erwarten uns in Zukunft bemerkenswerte Entdeckungen auf diesem Gebiet.
Verfasser des Artikels: Cédric DEPOND