Nach 50 Jahren endlich nachgewiesen: Physiker haben erstmals ein bisher nur theoretisch vorhergesagtes Verhalten von Elektronen in Supraleitern beobachtet. Werden diese bis knapp über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt, bilden ihre Elektronen Paare – und diese sollen der Theorie nach Dichtewellen formen können. Das dies tatsächlich der Fall ist, belegt nur ein im Fachmagazin „Nature“ beschriebenes Experiment.
In einem Supraleiter können sich Elektronen nahezu ohne Widerstand bewegen. Diese verlustfreie Leitung tritt allerdings erst bei sehr tiefen Temperaturen ein: Selbst die sogenannten Hochtemperatur-Supraleiter müssen dafür bis auf rund minus 100 Grad heruntergekühlt werden. Unter diesen Bedingungen lagern sich im Kristallgerüst dieser Materialien Elektronen zu magnetisch neutralen Cooper-Paaren zusammen.
Superfluid oder in Dichtewellen
Einer bereits 1964 aufgestellten Theorie nach können diese Cooper-Paare in zwei Zuständen vorkommen: Zum einen können sie eine Superflüssigkeit bilden, in der alle Teilchen den gleichen Quantenzustand besitzen und sich daher als eine Einheit bewegen. Dieser Zustand haben Forscher in Supraleitern experimentell nachgewiesen.
Zum anderen aber soll der Theorie nach die Dichte dieser Elektronenpaare im Material auch schwanken können. Sie müssten dann Dichtewellen bilden. Doch ob das tatsächlich der Fall ist, ließ sich bisher nicht nachweisen – denn es fehlte ein Messinstrument, dass diese winzigen Fluktuationen der neutralen Paare wahrnehmen kann.
Experiment am absoluten Nullpunkt
„Schon normale Elektronen mittels Rastertunnel-Mikroskop nachzuweisen ist extrem aufwändig“, erklärt Studienleiter Jinho Lee, von der National Universität Seoul. „Elektronenpaare zu detektieren ist exponentiell schwieriger, weil sie auf die normale Metallspitze des Mikroskops nicht reagieren.“ Durch eine Modifikation der Spitze haben die Forscher dieses Problem nun jedoch gelöst.
Für ihr Experiment kühlten die Forscher eine mit Fremdatomen versetzte Kupferverbindung, ein sogenanntes Cuprat, bis auf wenige Tausendstel Grad oberhalb des absoluten Nullpunkts ab. Bei diesen Temperaturen bilden sich im Material Cooper-Paare, die selbst kleine Lücken im Supraleiter durch quantenmechanisches Tunneln überbrücken können.
Tunneln zwischen Spitze und Oberfläche
Um nun diese Cooper-Paare nachweisen zu können, hoben die Forscher mit der Spitze des Rastertunnel-Mikroskops ein winziges Schüppchen des Supraleiters ab. Die Distanz blieb dabei so gering, dass die Elektronenpaare trotzdem noch zwischen Schuppe und Oberfläche hin- und hertunneln konnten. „Damit haben wir im Prinzip eine supraleitende Spitze aus dem gleichen Material wie der Supraleiter selbst erzeugt“, erklärt Lee.
Durch diesen Trick gelang es den Wissenschaftlern, erstmals die Dichte der Cooper-Paare zu messen. Winzige Variationen im Stromfluss zwischen Spitze und Oberfläche verreiten, wo mehr oder weniger dieser Paare vorhanden waren. „Mit Hilfe dieser Josephson Rastertunnel-Mikroskopie konnten wir erstmals Cooper-Paare in Atomauflösung direkt messen“, sagt Lee.
Verräterische Schwankungen
Und tatsächlich: Die Messungen enthüllten periodische Schwankungen in der Verteilung der Cooper-Paare. „Die Amplitude dieser Wellen entsprach etwa fünf Prozent der Gesamtdichte des Kondensats“, berichten die Forscher. Eine Welle war dabei etwa so lang wie vier aneinandergereihte Basiszellen des Supraleiter-Kristalls.
Die seit mehr als 50 Jahren vorhergesagten Dichtewellen der Cooper-Paare sind damit endlich dingfest gemacht und bewiesen. Die raffinierte Messmethode der Forscher ist aber auch darüber hinaus nützlich: Mit ihr können nun Physiker auch in anderen Supraleitern Cooper-Paare sichtbar mache und ihr Verhalten weitaus besser beobachten als bisher. (Nature, 2016; doi: 10.1038/ nature17411)
(DOE/ Brookhaven National Laboratory, 15.04.2016 – NPO)
