Wissenschaftler, die die Quanteneigenschaften von Supraleitern untersuchen – Materialien, die Elektrizität ohne Energieverlust leiten – sind in ein neues System eingetreten. Mit neu angeschlossenen Werkzeugen namens OASIS am Brookhaven National Laboratory des U.S. Department of Energy haben sie bisher unzugängliche Details des “Phasendiagramms” eines der am häufigsten untersuchten “Hochtemperatursupraleiter” aufgedeckt. Die neu abgebildeten Daten beinhalten Signale, was passiert, wenn die Supraleitung verschwindet.

“In Bezug auf die Supraleitung mag das schlecht klingen, aber wenn man ein Phänomen untersucht, ist es immer gut, sich ihm von Anfang an nähern zu können”, sagte die Brookhavener Physikerin Tonica Valla, die die gerade in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichte Studie leitete. “Wenn du die Chance hast zu sehen, wie die Supraleitung verschwindet, könnte das wiederum Aufschluss darüber geben, was die Supraleitung überhaupt verursacht.”

Die Erschließung der Geheimnisse der Supraleitung ist bei der Bewältigung von Energieproblemen vielversprechend. Materialien, die in der Lage sind, Strom über weite Strecken verlustfrei zu übertragen, würden die Stromübertragung revolutionieren, die Kühlung computergesteuerter Rechenzentren überflüssig machen und beispielsweise zu neuen Formen der Energiespeicherung führen. Der Haken daran ist, dass die derzeit bekanntesten Supraleiter, selbst die “Hochtemperatur”-Sorten, selbst super kalt gehalten werden müssen, um ihre stromführende Magie zu entfalten. So haben Wissenschaftler versucht, die wichtigsten Eigenschaften zu verstehen, die die Supraleitung in diesen Materialien verursachen, mit dem Ziel, neue Materialien zu entdecken oder zu schaffen, die bei Temperaturen arbeiten können, die für diese alltäglichen Anwendungen praktischer sind.

Das Brookhavener Team untersuchte einen bekannten Hochtemperatursupraleiter aus Schichten wie Wismutoxid, Strontiumoxid, Kalzium und Kupferoxid (kurz BSCCO). Durch die Spaltung von Kristallen aus diesem Material entstehen makellose Wismutoxid-Oberflächen. Bei der Analyse der elektronischen Struktur der ursprünglich gespaltenen Oberfläche sahen sie verräterische Anzeichen von Supraleitung bei einer Übergangstemperatur (Tc) von 94 Kelvin (-179 Grad Celsius) – der höchsten Temperatur, bei der die Supraleitung für dieses gut untersuchte Material einsetzt.

Das Team erwärmte dann Proben in Ozon (O3) und stellte fest, dass sie hohe Dotierungswerte erreichen und bisher unerforschte Teile des Phasendiagramms dieses Materials erforschen konnten, das ein kartenähnliches Diagramm ist, das zeigt, wie das Material seine Eigenschaften bei verschiedenen Temperaturen unter verschiedenen Bedingungen ändert (ähnlich wie man die Temperatur- und Druckkoordinaten, bei denen flüssiges Wasser gefriert, wenn es abgekühlt wird, oder bei Erwärmung in Dampf übergeht). In diesem Fall war die Variable, an der die Wissenschaftler interessiert waren, wie viele Ladungsleerstellen oder “Löcher” durch die Ozonexposition in das Material eingebracht oder “dotiert” wurden. Löcher erleichtern den Stromfluss, indem sie die Ladungen (Elektronen) irgendwo hinbringen.

“Wenn man bei diesem Material mit dem Kristall der “übergeordneten” Verbindung beginnt, der ein Isolator ist (was keine Leitfähigkeit bedeutet), führt die Einführung von Löchern zu Supraleitung”, sagte Valla. Wenn mehr Löcher hinzugefügt werden, wird die Supraleitung stärker und bei höheren Temperaturen bis zu einem Maximum von 94 Kelvin, erklärte er. “Dann, mit mehr Löchern, wird das Material überdotiert”, und Tc geht für dieses Material auf 50 K zurück.

“Bis zu dieser Studie war nichts über diesen Punkt hinaus bekannt, weil wir keine Kristalle bekommen konnten, die über diesem Niveau dotiert waren. Aber unsere neuen Daten führen uns zu einem Punkt des Dopings, der weit über die vorherige Grenze hinausgeht, zu einem Punkt, an dem Tc nicht messbar ist.”

Valla sagte: “Das bedeutet, dass wir jetzt die gesamte kuppelförmige Kurve der Supraleitung in diesem Material erforschen können, was bisher noch niemandem möglich war.”

Das Team erstellte Proben, die in einem Vakuum (zur Herstellung von unterdotiertem Material) und in Ozon (zur Herstellung von überdotierten Proben) erwärmt wurden, und machte Punkte entlang der gesamten supraleitenden Kuppel. Sie entdeckten einige interessante Eigenschaften auf der bisher unerforschten “anderen Seite” des Phasendiagramms.

“Was wir gesehen haben, ist, dass die Dinge viel einfacher werden”, sagte Valla. Einige der seltsameren Eigenschaften, die auf der gut erforschten Seite der Karte vorhanden sind und das Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung erschweren – Dinge wie ein “Pseudogap” in der elektronischen Signatur und Schwankungen in Teilchenspin und Ladungsdichte verschwinden auf der überdopften Rückseite der Kuppel.

“Diese Seite des Phasendiagramms ist so etwas wie das, was wir von konventionelleren Supraleitern erwarten”, sagte Valla und bezog sich auf die ältesten bekannten Supraleiter auf Metallbasis.

“Wenn die Supraleitung frei von diesen anderen Dingen ist, die das Bild verkomplizieren, dann bleibt eine Supraleitung übrig, die vielleicht nicht so unkonventionell ist”, fügte er hinzu. “Wir wissen vielleicht immer noch nicht, woher es kommt, aber auf dieser Seite des Phasendiagramms sieht es so aus, als ob die Theorie leichter damit umgehen könnte, und es gibt Ihnen eine einfachere Art, das Problem zu betrachten, um zu versuchen zu verstehen, was los ist…