Neue Studie: Elektronenpaare in supraleitendem Cuprat bei höheren Temperaturen entdeckt

BerlinForscher sind seit langem an Supraleitern interessiert, da sie Strom ohne Energieverlust leiten können. Diese Fähigkeit ermöglicht auch Technologien wie bestimmte Arten von Hochgeschwindigkeitszügen. Meistens funktionieren Supraleiter jedoch nur bei sehr niedrigen Temperaturen. Wenn sie wärmer werden, verlieren sie ihre supraleitenden Eigenschaften und werden zu normalen Leitern oder Isolatoren. Kürzlich hat eine Studie erstmals eine entscheidende Eigenschaft von Supraleitern—Elektronenpaarung—bei höheren Temperaturen in einem Material namens Cuprat beobachtet, einer ungewöhnlichen Art von Supraleitern.

Wichtige Erkenntnisse aus der Studie:

• Elektronenpaare wurden bei Temperaturen bis zu 150 Kelvin beobachtet.
• Elektronenpaare traten in einem antiferromagnetischen Isolator auf, was unerwartet ist.
• Die Paarbildung war in den am stärksten isolierenden Proben des Kuprats am stärksten.

Wissenschaftler vom SLAC National Accelerator Laboratory, der Stanford University und anderen Institutionen haben das Phänomen der Elektronenpaarung untersucht, das für Supraleitung unerlässlich ist. Damit Supraleitung - also das Fließen von Strom ohne Widerstand - auftreten kann, müssen sich Elektronenpaare synchron bewegen. In dieser Studie waren die Elektronenpaare jedoch nicht synchronisiert, weshalb das Material keinen Nullwiderstand zeigte. Trotzdem deuteten die Ergebnisse auf eine Möglichkeit hin, Supraleiter mit höheren Betriebstemperaturen zu entwickeln.

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Seit über 100 Jahren ist bekannt, dass sich in herkömmlichen Supraleitern Elektronenpaare durch Vibrationen in der Materialstruktur bilden. Diese Materialien funktionieren nur bei sehr niedrigen Temperaturen, fast nahe dem absoluten Nullpunkt. Im Gegensatz dazu arbeiten Materialien wie Kuprate, die als unkonventionelle Supraleiter gelten, bei höheren Temperaturen von bis zu 130 Kelvin. Wissenschaftler waren lange Zeit unsicher, was die Paarbildung der Elektronen in diesen Materialien verursacht, doch neueste Erkenntnisse deuten darauf hin, dass veränderte Elektronenspins der Schlüssel sein könnten.

Forscher nutzten ultraviolettes Licht, um die atomaren Details eines Cuprats zu untersuchen. Dabei entdeckten sie eine sogenannte "Energielücke", die zeigte, dass Elektronenpaare bis zu einer Temperatur von 150 Kelvin bestehen bleiben – weit über den 25 Kelvin, bei denen das Material supraleitend wird. Überraschenderweise fand man die stärkste Paarung in den Proben, die die besten Isolatoren waren.

Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass künftige Forschung sich auf die Veränderung der Bedingungen konzentrieren könnte, unter denen sich Elektronenpaare gemeinsam bewegen, was zu Supraleitern führen könnte, die bei höheren Temperaturen funktionieren. Diese Forschung eröffnet neue Methoden, um diese Elektronenpaare zu untersuchen und möglicherweise gemeinsam arbeiten zu lassen, was uns näher zu Supraleitern bei Raumtemperatur bringt. Dies könnte einen großen Einfluss auf moderne Technologien haben, einschließlich energieeffizienterer Stromnetze und fortschrittlicher Quantencomputer.