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Supraleitung: Exotischer supraleitender Zustand erstmals nachgewiesen

Forscher konnten endlich beobachten, dass Supraleitung auch innerhalb starker Magnetfelder stattfindet. Ein exotischer Zustand der Elektronen macht es möglich.

Die Supraleitung ist eine feine Sache: Strom wird widerstandsfrei durch ein Leitermaterial transportiert, keine Energie geht verloren. Dieses Phänomen tritt auf, weil sich Elektronen bei sehr kalten Temperaturen zu so genannten Cooper-Paaren zusammenfinden und dann geordnet und ohne Widerstand durch den Leiter wandern. Da ein starkes Magnetfeld die Bildung von solchen Elektronenpaaren deutlich einschränkt, sollte eigentlich auch die Supraleitung darunter leiden. Ein Forscherteam der Brown University konnte nun jedoch beobachten, was seit über 50 Jahren vermutet wird: Supraleitung kann trotzdem stattfinden. Elektronen, die keinen Partner finden, behindern – entgegen der Erwartung – den Fluss der Cooper-Paare nicht, da sie einen exotischen Zustand einnehmen.

Damit sich zwei Elektronen zu einem Cooper-Paar zusammentun, müssen sie entgegengesetzten Spin aufweisen. In herkömmlichen supraleitenden Materialien gibt es ungefähr gleich viele Elektronen der einen wie der anderen Sorte. Fast jedes Elektron findet demnach auch einen Partner. In einem Magnetfeld richtet sich der Spin der Elektronen jedoch mehrheitlich in dieselbe Richtung aus. Dadurch entsteht ein großes Ungleichgewicht, und zahlreiche Elektronen bleiben partnerlos. Der supraleitende Zustand wäre somit eigentlich dahin.

Wissenschaftler vermuteten aber schon lange, dass in solchen Fällen trotzdem supraleitende Bereiche existieren könnten, getrennt durch normalleitende Bänder, in denen sich die partnerlosen Elektronen ansammeln. Die Forscher um Vesna Mitrovic konnten solch einen supraleitenden Zustand nun auch tatsächlich herstellen. Eine Erhöhung der Temperatur, die eigentlich der Supraleitung entgegenwirkt, brachte den Durchbruch. Jetzt erst konnten sie mit ihrer Messmethode diesen besonderen Zustand entdecken.

Die Forscher fanden – wie bislang vermutet – Bereiche, wo sich die einzelnen Elektronen versammelten. Diese stellten jedoch keine normalleitende Barriere dar, sondern ließen Cooper-Paare widerstandlos passieren. Verantwortlich dafür ist offenbar ein ungewöhnlicher quantenmechanischer Zustand: der so genannte Andreev-Zustand, in dem Elektronen die Cooper-Paare quasi durchtunneln lassen.

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