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Was passiert wirklich in supraleitenden Materialien?

Was passiert wirklich in supraleitenden Materialien?


Die Hochtemperatursupraleitung könnte dank der Arbeit eines internationalen Teams von Physikern einen Schritt näher kommen. Durch die Untersuchung der räumlichen Korrelationen von Kaliumatomen bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt könnten die Beobachtungen des Teams dazu beitragen, die idealen Bedingungen für die Induktion der Supraleitung zu ermitteln.

[Bildquelle:MIT - Sampson Wilcox]

Supraleitung: Das nahezu perfekt effiziente Mittel, um Elektrizität in einem Material durch Eliminierung von Energieverlusten zu leiten. Gegenwärtig ist diese unglaubliche Eigenschaft bestimmter Materialien nur unter bestimmten, extrem niedrigen Temperaturen möglich. Wenn bei Raumtemperatur Supraleitung induziert werden könnte, wäre der Einfluss auf mögliche Wirkungsgrade für elektrische Energie außergewöhnlich. Das Verständnis, wie Supraleitung auftritt, wird jedoch durch unsere Fähigkeit, das Phänomen zu visualisieren, behindert.

Vor diesem Hintergrund haben Forscher am MIT einen „Quantensimulator“ entwickelt, der mithilfe von Atomen das Verhalten von Elektronen in einem supraleitenden Festkörper modelliert.

Teamleiter Professor Martin Zwierlein, MIT, berichtete MIT News: "Wenn wir aus diesem Atommodell lernen, können wir verstehen, was in diesen Supraleitern wirklich vor sich geht und was man tun sollte, um Supraleiter mit höheren Temperaturen herzustellen, die sich hoffentlich der Raumtemperatur nähern."

Das Atommodell des Teams basiert auf dem Fermi-Hubbard-Modell wechselwirkender Atome, einer Theorie, die üblicherweise zur Erklärung der Grundprinzipien der Supraleitung verwendet wird. Bisher konnten Forscher mit diesem Modell nur das Verhalten schwach wechselwirkender supraleitender Elektronen vorhersagen. Professor Zwierlein erklärte:

'Das ist ein großer Grund, warum wir Hochtemperatursupraleiter nicht verstehen, bei denen die Elektronen sehr stark interagieren. Es gibt keinen klassischen Computer auf der Welt, der berechnen kann, was bei sehr niedrigen Temperaturen mit wechselwirkenden [Elektronen] passiert. Ihre räumlichen Korrelationen wurden auch nie in situ beobachtet, da niemand ein Mikroskop hat, um jedes einzelne Elektron zu betrachten. '

Durch Abkühlen der untersuchten Kaliumatome auf wenige Nanokelvin und Einfangen in einem lasergenerierten Gitter zur Erzeugung einer zweidimensionalen Ebene konnten die Forscher die Positionen und Wechselwirkungen einzelner Atome beobachten. Das Verhalten der beobachteten Atome variierte in Abhängigkeit von der Dichte des Gases an jeder Position.

In den Regionen mit niedrigerer Dichte - zum Gitterrand hin - wurden die Atome "unsozial". Dies steht im Einklang mit dem Verhalten der Elektronen, das vom berühmten Physiker Wolfgang Pauli aus dem 20. Jahrhundert theoretisiert wurde, dessen sogenannte "Pauli-Löcher" die Tendenz der Elektronen beschreiben, eine bestimmte Sphäre des persönlichen Raums aufrechtzuerhalten. "Sie haben sich einen kleinen Raum geschaffen, in dem es sehr unwahrscheinlich ist, einen zweiten Mann in diesem Raum zu finden", sagte Zwierlein.

Das wirklich interessante Verhalten trat in Regionen höherer Dichte auf. Die beobachteten Atome ließen sich nicht nur bündeln, sondern zeigten auch abwechselnde magnetische Orientierungen. Zwierlein erklärte: "Dies sind wunderschöne, antiferromagnetische Korrelationen mit einem Schachbrettmuster - hoch, runter, hoch, runter."

Er fuhr fort, die ungewöhnliche Tendenz dieser Atome zu beschreiben, "übereinander zu hüpfen", was zu einem Raum neben einem gebündelten Paar von Atomen führte. Die Ähnlichkeit zwischen diesem Verhalten und dem für die noch theoretische Hochtemperatursupraleitung erforderlichen Verhalten ist stark. Theoretisch kann die Supraleitung bei Raumtemperatur durch die reibungslose Bewegung von Elektronenpaaren zwischen geeignet großen Räumen in einem Gitter induziert werden. Zwierlein beschrieb es wie folgt:

'Für uns treten diese Effekte bei Nanokelvin auf, weil wir mit verdünnten Atomgasen arbeiten. Wenn Sie ein dichtes Stück Materie haben, können diese Effekte auch bei Raumtemperatur auftreten. '

Lesen Sie die Ergebnisse des Teams in ihrenWissenschaft Zeitschriftenpapier.

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Via: MIT

Geschrieben von Jody Binns


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