Überraschende Entdeckung: Ein auf den ersten Blick „gewöhnliches“ Mineral entpuppt sich im Experiment als extrem exotischer Supraleiter. Denn diese Uranverbindung bleibt selbst in starken Magnetfeldern widerstandsfrei leitend – und dies nicht nur einmal, sondern zweimal: Wird das Magnetfeld weiter verstärkt, bricht die Supraleitung erst zusammen, um dann in anderer Form wiederzukehren. Dies sei eine ganz neue Form der Supraleitung, berichten die Forscher im Fachmagazin „Nature Physics“.

Ob Graphen, Cuprate oder bestimmte Metallhydride: Einige Materialien können Strom nahezu widerstandsfrei leiten – sie sind Supraleiter. Möglich wird dieser exotische Zustand unter anderem, wenn sich Elektronen im Kristallgitter zu Paaren mit speziellen Spinausrichtungen zusammenlagern. Forscher haben inzwischen auch einige abweichende Formen der Supraleitung entdeckt, denen andere physikalische Mechanismen zugrunde zu liegen scheinen – welche, ist jedoch erst in Teilen geklärt.

Doch eines schien bisher klar: Supraleiter mögen keine starken externen Magnetfelder. Typischerweise bricht ihre verlustfreie Leitfähigkeit schon bei relativ geringer Magneteinwirkung zusammen. „Nur in ganz seltenen Fällen führen Magnetfelder zum gegenteiligen Effekt und stabilisieren die Supraleitung sogar“ erklären Sheng Ran von der University of Maryland und seine Kollegen. Meist gleicht dabei ein dem Material inhärentes Magnetfeld die äußere Magneteinwirkung aus.

Exotischer Kristall im Magnettest

Jetzt allerdings haben die Physiker durch Zufall ein Material identifiziert, das eine ganz neue, einzigartige Form der Supraleitung zeigt. Ursprünglich wollten Ran und sein Team eine ganz andere Uranverbindung herstellen, als versehentlich Kristalle von Uranditellurid (Ute2) entstanden. Diese Verbindung ist schon früher als Supraleiter mit einer ungewöhnlichen Spin-Anordnung der Elektronenpaare aufgefallen.

Die Physiker entschlossen sich daher, statt des ursprünglich geplanten Materials nun das Uranditellurid für ihr Experiment zu nuten. Dafür kühlten sie das Material bis auf knapp über dem absoluten Nullpunkt herunter, maßen seine Leitfähigkeit und setzen es langsam steigenden Magnetfeldern aus.

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Supraleitung selbst bei starkem Magneteinfluss

Das überraschende Ergebnis: Uranditellurid besitzt nicht nur eine supraleitende Phase, sondern gleich zwei. Die erste Phase tritt auf, wenn man der Kristall in einem bestimmten Winkel zum Magnetfeld steht, wie die Forscher berichten. Dann hält die widerstandsfreie Stromleitung bis zum Wert von 35 Tesla an – dies entspricht der mehr als vierfachen Stärke der Magneten am Teilchenbeschleuniger LHC. Schon dies ist eine ungewöhnliche Stabilität gegenüber Magneteinwirkungen.

Noch skurriler aber wurde es, als die Physiker den Kristall leicht drehten und das Magnetfeld weiter erhöhten: Bei rund 40 Tesla trat eine zweite Phase der Supraleitung auf. „Ihr Maximalwert lag bei mehr als 65 Tesla – dem stärksten in unseren Messungen erzeugbaren Feld“, berichten Ran und seine Kollegen. „Eine wiederkehrende Supraleitung bei so hohen Feldstärken ist bisher nie gemessen worden.“ Weil die Supraleitfähigkeit erst abstirbt und dann wiederaufersteht, bezeichnen die Forscher dieses Phänomen auch als Lazarus-Supraleitung.

„Ganz neue Art der Supraleitung“

„Diese extremen Eigenschaften scheinen eine ganz neue Art der exotischen Supraleitung widerzuspiegeln“, konstatieren die Forscher. Denn ihre Messungen deuten darauf hin, dass sich die hinter den beiden Supraleiterphasen stehenden Mechanismen voneinander unterscheiden. Dies sei damit der erste Fall, bei dem gleich zwei verschiedene supraleitende Phasen im selben Material auftreten.

„Dies ist wirklich ein bemerkenswertes Material. Uranditellurid hat wahrscheinlich noch weitere Überraschungen auf Lager“, sagt Rans Kollege Johnpierre Paglione. Seine Beständigkeit selbst bei starken Magnetfeldern könnte Uranditellurid zu einer vielversprechenden Komponente von künftigen Quantencomputern machen, wie die Forscher erklären. Schon jetzt werden in einigen Quantencomputern supraleitende Materialien als Grundlage für die Quantenbits eingesetzt. (Nature Physics, 2019; doi: 10.1038/s41567-019-0670-x)

Quelle: University of Maryland

9. Oktober 2019

- Nadja Podbregar