Supraleitung mit Magnetfeld eingeschaltet

Michel Kenzelmann stellt die Gaszufuhr an einem Hochfeld-Magneten ein, der für die Experimente an CeCoIn5 an der Neutronenquelle SINQ gebraucht worden ist. Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer
Michel Kenzelmann stellt die Gaszufuhr an einem Hochfeld-Magneten ein, der für die Experimente an CeCoIn5 an der Neutronenquelle SINQ gebraucht worden ist. Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

Meist sieht man Supraleitung und Magnetfelder als Konkurrenten – sehr starke Magnetfelder zerstören in der Regel den supraleitenden Zustand.

Physiker des Paul Scherrer Instituts PSI haben nun gezeigt, dass in dem Material CeCoIn5 ein neuartiger supraleitender Zustand erst bei starken externen Magnetfeldern entsteht und dann durch Veränderung des Feldes manipuliert werden kann.

(WK-intern) – Das Material ist auch schon bei schwächeren Feldern supraleitend, bei starken Feldern entsteht aber ein zusätzlicher zweiter supraleitender Zustand, so dass gleichzeitig im selben Material zwei unterschiedliche supraleitende Zustände existieren.

Das Material CeCoIn5 ist bei sehr niedrigen Temperaturen supraleitend. Bei sehr starken Magnetfeldern wird die Supraleitung wie erwartet zerstört (bei diesem Material oberhalb von 12 Tesla). Forschende des Paul Scherrer Instituts haben nun gezeigt, dass bevor dies geschieht, bei starken Magnetfeldern ein neuer exotischer Zustand des Materials entsteht. Bei diesem wird zusätzlich zur Supraleitung eine antiferromagnetische Ordnung beobachtet, d.h. die magnetischen Momente (die „Elementarmagnete“) im Material weisen in einer regelmässigen Weise teilweise in eine Richtung und teilweise in die entgegengesetzte. Symmetriebetrachtungen führen dabei zu dem Schluss, dass mit dieser magnetischen Ordnung ein neuartiger Quantenzustand verbunden sein muss, der jedoch nicht unmittelbar beobachtet werden konnte.

Zwei Arten Supraleitung gleichzeitig
Die PSI-Forscher haben die Eigenschaften dieser antiferromagnetischen Ordnung untersucht und geschlossen, dass dieser neuartige Quantenzustand aus einem zweiten, unabhängigen supraleitenden Zustand besteht. Supraleitung entsteht, wenn sich Elektronen in einem Material paarweise zu so genannten Cooper-Paaren zusammenfinden, die sich ungehindert durch das Material bewegen können. Aus der Perspektive der Cooper-Paare gibt es verschiedene Arten von Supraleitung, die sich insbesondere in den Symmetrieeigenschaften der Bewegung der Cooper-Paare unterscheiden. In dem hier untersuchten Material kommt zusätzlich zum schon vorhandenen supraleitenden Zustand noch ein zweiter hinzu. In Fachbegriffen ausgedrückt, hat man zunächst eine d-Wellen-Supraleitung, zu der in dem exotischen Zustand eine p-Wellen-Supraleitung hinzukommt.

Mit Neutronen nachgewiesen
Die antiferromagnetische Ordnung in dem Material ist durch Neutronenexperimente an der Neutronenquelle SINQ des PSI und am Institut Laue Langevin in Grenoble nachgewiesen worden. In solchen Experimenten schickt man einen Neutronenstrahl durch das untersuchte Material und beobachtet, in welche Richtungen besonders viele Neutronen abgelenkt werden. Daraus kann man dann auf regelmässige Strukturen im Inneren des Materials schliessen. In diesem Fall tauchte für hohe Magnetfelder eine weitere Richtung auf, in die viele Neutronen abgelenkt wurden, die der antiferromagnetischen Ordnung. Genau genommen hat man eine Spindichtewelle beobachtet. Das heisst, wenn man sich in eine bestimmte Richtung durch das Material bewegt, weisen die magnetischen Momente erst in eine Richtung, werden grösser, nehmen dann wieder ab, weisen dann in die entgegensetzte Richtung, werden da wieder grösser und nehmen wieder ab. Zeichnet man die Momente als Pfeile auf, lassen sich ihre Spitzen durch eine Wellenlinie verbinden.

Die Spindichtewellen können in diesem Material nur in zwei zueinander senkrechten Richtungen verlaufen, also in zwei verschiedenen Domänen auftreten. In welche Richtung die Spindichtewelle verläuft hängt von der Richtung des angelegten externen Magnetfelds ab. Ändert man die Richtung des Magnetfelds ändert sich für eine bestimmte Richtung abrupt auch die Verlaufsrichtung der Spindichtewelle. Um diesen Effekt nachzuweisen, haben die Forschenden einen speziellen Probenhalter gebaut, mit dem sich die Probe zwischen den Messungen um sehr kleine Winkel verkippen liess.

Quantenzustand gesteuert
„Das beobachtete Verhalten des Materials war total unerwartet, und kann nicht ein rein magnetischer Effekt sein“, erklärt Michel Kenzelmann, Leiter des Forschungsteams am PSI. „Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass in dem Material gemeinsam mit der Spindichtewelle auch der neue supraleitende Zustand entsteht, wie dies von Symmetriebetrachtungen auch erwartet wird.“ Das Besondere an diesem Zustand ist, dass er sehr eng mit der magnetischen Ordnung zusammenhängt: wo die magnetischen Momente der magnetischen Ordnung stark sind, ist auch die p-Wellen-Supraleitung besonders präsent, so dass beide stärker werden, wenn man das äussere Magnetfeld stärker macht. Man kann also mit einem externen Magnetfeld direkt den Quantenzustand steuern, der mit der Supraleitung verbunden ist. Die Möglichkeit, Quantenzustände direkt zu steuern ist für mögliche zukünftige Quantencomputer wichtig. „Auch wenn wegen der tiefen Temperaturen und starken Magnetfelder, die hier nötig sind, dieses konkrete Material wohl kaum zum Einsatz kommen wird, zeigen unsere Experimente, wie eine solche Steuerung grundsätzlich aussehen kann“, fügt Simon Gerber, Erstautor der Publikation, hinzu.

Text: Paul Piwnicki

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Mensch und Gesundheit, sowie Energie und Umwelt. Mit 1500 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

PM: Dagmar Baroke Abteilung Kommunikation
Paul Scherrer Institut (PSI)

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