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Festkörperphysik: Hochtemperatursupraleitung unter der Lupe

Dank eines neuen Experiments können Physiker die Elektronen in supraleitenden Cupraten genau vermessen - und so eine 35 Jahre alte Theorie bestätigen.
Supraleiter

Seit Jahrzehnten sorgt eine Familie von Kristallen für Kopfzerbrechen: So genannte Cuprate können bei ungewöhnlich hohen Temperaturen Strom widerstandsfrei leiten. Im September 2022 gelang es Physikerinnen und Physikern erstmals, die Supraleitung in einem dieser Stoffe auf atomarer Ebene zu beobachten – und damit die Ursache des rätselhaften Phänomens zu enthüllen. Die Elektronen scheinen sich durch ihre »Sprunghaftigkeit« in einen reibungslosen Fluss zu befördern, ganz im Einklang mit der Superaustausch-Theorie, die fast so alt ist wie das Geheimnis selbst. »Die Übereinstimmung von Experiment und Theorie ist erstaunlich«, so der Physiker André-Marie Tremblay von der Universität von Sherbrooke in Kanada.

Nun hoffen Fachleute, einem der wichtigsten Ziele der Festkörperphysik näherzukommen: den zu Grunde liegenden Mechanismus der Supraleitung zu verstärken, um Materialien zu entwickeln, die Strom bei noch höheren Temperaturen widerstandsfrei leiten können. Der Traum wäre, Raumtemperatur zu erreichen. »Falls die Superaustausch-Theorie korrekt ist«, so der Physiker J. C. Séamus Davis, der die neuen Experimente an der University of Oxford geleitet hat, »sollte es möglich sein, synthetische Materialien zu entwickeln, die ihre Supraleitfähigkeit bei hohen Temperaturen behalten …«

Von »Spektrum der Wissenschaft« übersetzte und bearbeitete Fassung des Artikels »High-Temperature Superconductivity Understood at Last« aus »Quanta Magazine«, einem inhaltlich unabhängigen Magazin der Simons Foundation, die sich die Verbreitung von Forschungsergebnissen aus Mathematik und den Naturwissenschaften zum Ziel gesetzt hat.

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  • Quellen

Davis, J. C. S. et al.: On the electron pairing mechanism of copper-oxide high temperature superconductivity. PNAS 119, 2022

Davis, J. C. S. et al.: Detection of a Cooper-pair density wave in Bi2Sr2CaCu2O8+x. Nature volume 532, 2016

Tremblay, A.-M. et al.: Oxygen hole content, charge-transfer gap, covalency, and cuprate superconductivity. PNAS 118, 2021

Wang, Y. et al.: Relationship between the parent charge transfer gap and maximum transition temperature in cuprates. Science Bulletin 61, 2016