Auch mehr als 100 Jahre nach ihrer Entdeckung versetzen wundersame Materialien Fachleute immer wieder in Erstaunen: Supraleiter transportieren Strom verlustfrei. Der Preis dafür ist meist hoch. In der Regel müssen die Stoffe stark gekühlt werden, damit sie in den supraleitenden Zustand übergehen. Der heilige Gral der Festkörperphysik sind daher Supraleiter, die ihre einzigartigen Fähigkeiten auch bei Raumtemperatur beibehalten. Für eine gezielte Suche nach solchen Stoffen muss die Funktionsweise der Supraleitung im Detail verstanden sein. Doch das ist noch immer nicht der Fall.

Wie hartnäckig sich diese Frage der Forschung entzieht, zeigt Strontiumruthenat, genauer eine Verbindung mit der Summenformel Sr₂RuO₄​. Deren supraleitende Eigenschaften entdeckte der Physiker Yoshiteru Maeno im Jahr 1994, als er extrem reine Proben des Materials auf unterhalb von 1,5 Kelvin abkühlte, ungefähr –271 Grad Celsius. Allerdings zeigte sich rasch, dass dieser Supraleiter nicht recht in das vertraute Bild passte.

Mehrere frühe Experimente deuteten auf einen ungewöhnlichen supraleitenden Zustand hin – einen, der zusätzliche Symmetrien brechen könnte. Damit würde er magnetische oder topologische Effekte ermöglichen, wie sie in herkömmlichen Supraleitern nicht zu erwarten sind. Entsprechend groß waren die Hoffnungen auf potenzielle Anwendungen etwa für Spintronik oder topologisch motivierte Konzepte der Quanteninformation.

Zahlreiche weitere Befunde aus den 1990er- und 2000er-Jahren schienen dieses Bild zu stützen. Doch spätere Messungen brachten die Deutung zusehends ins Wanken. Manche Resultate ließen sich reproduzieren, anderen widersprachen jüngere Befunde völlig. Heute gehört Strontiumruthenat zu den am gründlichsten untersuchten und zugleich mysteriösesten Supraleitern überhaupt. »Es ist extrem rätselhaft«, sagt der Physiker Giordano Mattoni, der mehrere Jahre in der Gruppe von Maeno an der Universität Kyoto zu dem Material forschte. »Nichts scheint zusammenzupassen.«

Ein Kleber für Elektronen

Was man bisher über Supraleiter weiß: Sie verdanken ihre besonderen Eigenschaften der Paarbildung ihrer Elektronen. Unterhalb einer kritischen Temperatur schließen diese sich im Inneren des Materials zu sogenannten Cooper-Paaren zusammen. Diese Paare verhalten sich nicht mehr wie zwei voneinander unabhängige Teilchen, sondern bilden einen gemeinsamen Quantenzustand – auch wenn sie räumlich voneinander getrennt sind. Durch diese Paarbildung koordinieren sich die Teilchen gewissermaßen. Sie fließen dann reibungsfrei durch das Material, ohne an Hindernissen oder aneinander zu streuen.

Diese Dynamik beschreibt seit dem Jahr 1957 die sogenannte BCS-Theorie, benannt nach ihren Entwicklern John Bardeen, Leon Neil Cooper und John Robert Schrieffer. Gemäß der BCS-Theorie hat die quantenmechanische Wellenfunktion der Cooper-Paare die Form einer s-Welle – und ist damit kugelförmig, also in alle Richtungen symmetrisch.

Doch das schien bei Strontiumruthenat nicht der Fall zu sein. Anders als bei gewöhnlichen Supraleitern ist die Supraleitung des Materials sehr empfindlich gegen Verunreinigungen: Kleinste Mengen von Fremdstoffen unterdrücken einen Übergang zu dieser Phase. Das war für Fachleute ein Anzeichen für eine unkonventionelle Form der Supraleitung, die nicht durch s-Wellen getragen wird.

Schon in den 1980er-Jahren gab es Hinweise darauf, dass die Wellenfunktion der Elektronenpaare auch andere Gestalten annehmen kann – und damit nicht mehr kugelsymmetrisch ist. Inzwischen sind sogenannte d-Wellen-Supraleiter bekannt, deren Gestalt an ein vierblättriges Kleeblatt erinnert. Zudem könnte es p-Wellen-Supraleiter mit einer hantelförmigen Wellenfunktion geben.

Da die Wellenfunktion von p- und d-Wellen-Supraleitern nicht mehr in alle Richtungen symmetrisch ist, sollte sie viel empfindlicher gegenüber Störungen sein als herkömmliche s-Zustände. Genau deshalb galt die starke Störanfälligkeit von Strontiumruthenat lange als wichtiges Indiz für unkonventionelle Supraleitung.

Im Jahr 1998 erregten Experimente zu den magnetischen Eigenschaften des Materials weitere Aufmerksamkeit. Forschende der Columbia University brachten Myonen in das Material ein. So konnten sie die internen Magnetfelder des Stoffs vermessen. Und wie sich herausstellte, weist Strontiumruthenat solche auch unterhalb der kritischen Temperatur auf, also in der supraleitenden Phase. Das wurde als Hinweis darauf interpretiert, dass beim Eintritt in die supraleitende Phase zusätzliche magnetische Strukturen oder Ströme entstehen, die oberhalb der kritischen Temperatur​ fehlen. Solche spontanen Felder brechen die Zeitumkehrsymmetrie, da eine Drehung des Zeitpfeils auch die Ströme umkehren würde – das ist bei gewöhnlichen s-Wellen-Supraleitern nicht der Fall.

Im selben Jahr stützte ein weiteres Experiment die Vermutung. Damals untersuchte Maeno gemeinsam mit anderen Fachleuten der Universität Osaka in Kernspinresonanz-Versuchen (NMR) die magnetische Empfindlichkeit der Cooper-Paare in Strontiumruthenat. Denn Elektronen besitzen eine magnetische Quanteneigenschaft namens Spin, die man sich vereinfacht wie einen Eigendrehimpuls vorstellen kann – je nach Drehrichtung zeigt der Spin demnach nach oben oder unten. Weil Elektronen geladen sind, entsprechen die Spins einem magnetischen Moment.

In s-Wellen-Supraleitern richten sich die Spins der Elektronen so aus, dass die Cooper-Paare kein magnetisches Moment mehr aufweisen. Deshalb fällt die Reaktion der Spins unterhalb der kritischen Temperatur (also in der supraleitenden Phase) stark ab – die Magnetfelder beeinflussen die Spins der Cooper-Paare nicht, weil diese entgegengesetzt ausgerichtet sind. Das schien bei Strontiumruthenat jedoch nicht der Fall zu sein. Die Cooper-Paare reagierten auch unterhalb der kritischen Temperatur auf Magnetfelder.

Damit schien klar: Strontiumruthenat könnte ein Beispiel für einen p-Wellen-Supraleiter sein. Forschende begannen schon zu spekulieren, was alles mit diesem Stoff möglich sei. Aber dann begann das Bild zu bröckeln.

Doch kein Wunderstoff?

Ein wichtiger Einschnitt kam im Jahr 2010. Damals suchten Forschende unter anderem von der Stanford University mit einem hochempfindlichen Verfahren nach spontanen Randströmen, wie man sie für einen p-Wellen-Supraleiter erwarten würde. Sie fanden nichts – jedenfalls nichts in der theoretisch vorausgesagten Größenordnung. Auch andere Experimente, etwa zur Thermodynamik des Phasenübergangs von Strontiumruthenat, passten immer schlechter zur ursprünglichen p-Wellen-Erzählung.

Der eigentliche Wendepunkt kam im Jahr 2019. Fachleute um Stuart Brown von der University of California in Los Angeles stellten damals das japanische Experiment zur Reaktion der Cooper-Paare auf magnetische Felder mit verbesserter Methodik nach. Anders als zuvor fanden sie hierbei einen deutlichen Abfall der Spinempfindlichkeit unterhalb der kritischen Temperatur. Damit brach ein tragender Pfeiler der ursprünglichen Deutung weg.

Ein Jahr später wiederholten auch die japanischen Forschenden um Maeno, die 1998 die ersten Ergebnisse dazu publiziert hatten und inzwischen von Osaka nach Kyoto umgezogen waren, ihr Experiment. Sie erhielten dasselbe Ergebnis wie ihre US-amerikanischen Kollegen und konnten eine Fehlerquelle identifizieren: Die NMR-Pulse hatten die Probe lokal so aufgeheizt, dass Teile der Messung nicht mehr im supraleitenden Zustand stattfanden. »Das war kein einfacher Anfängerfehler«, betont Mattoni, man habe dem Problem intensiv auf den Grund gehen müssen.

Mit diesen neuen Ergebnissen war klar: Die Fachwelt musste ihre Überzeugungen über Bord werfen. Strontiumruthenat war offensichtlich nicht das, für das sie es 20 Jahre lang gehalten hatte. Es ist ein Supraleiter, aber welche Art von Supraleiter?

Ein Supraleiter unter Druck

Um der Frage nach der supraleitenden Natur von Strontiumruthenat näherzukommen, setzten verschiedene Gruppen auf die Verbindung zwischen Kristallsymmetrie und Supraleitung. Verformt man einen Kristall gezielt, etwa indem man das Material entlang einer Richtung zusammendrückt, ändert man seine Symmetrieeigenschaften. Daraus lassen sich – im Zusammenspiel mit einem geeigneten theoretischen Modell – Rückschlüsse auf eine entscheidende Größe bei Supraleitern gewinnen: den Ordnungsparameter.

Der Ordnungsparameter beschreibt, in welchen kollektiven Zustand ein System beim Phasenübergang eintritt. Bei einem Ferromagneten entspricht er anschaulich der Magnetisierung. In einem Supraleiter ist es etwas komplizierter. Hier beschreibt der Ordnungsparameter den Quantenzustand der Cooper-Paare. Entscheidend ist hierbei vor allem, ob sich der Zustand durch eine oder zwei Komponenten beschreiben lässt.

Ein einkomponentiger Ordnungsparameter ist gewissermaßen die einfachste Situation: Alle Cooper-Paare lassen sich durch einen einzigen Baustein beschreiben. Das ist bei s-Wellen-Supraleitern der Fall. Aber d- und p-Wellen-Supraleiter können auch zweikomponentige Ordnungsparameter haben. Diese besitzen zwei Freiheitsgrade, die unterschiedlich kombinierbar sind. Genau das macht sich womöglich experimentell bemerkbar – etwa darin, wie empfindlich die kritische Temperatur auf bestimmte Verzerrungen des Kristallgitters reagiert.

Eine Verformung des Kristallgitters sollte also offenbaren, ob der Ordnungsparameter eine Komponente hat oder zwei. 2020 führten Forschende vom CNRS in Frankreich hierzu Ultraschall-Messungen durch. Die Ultraschallwellen verformen dabei das Material in periodischen Zeitabständen. Hierbei ließ sich beobachten, dass sich die Schermodul-Komponente des Kristalls abrupt verändert – was für einen zweikomponentigen Ordnungsparameter spricht.

Ein konventioneller s‑Wellen-Zustand schied damit weitgehend aus; als Kandidaten blieben komplexere d‑ oder p‑Wellen-Szenarien im Rennen. Allerdings erwuchs daraus ein neues Problem: Bei anderen Experimenten, insbesondere unter uniaxialem Stress, veränderte sich der Übergang nicht so, wie es bei einfachen homogenen zweikomponentigen Modellen zu erwarten gewesen wäre.

Nahm man alle bisherigen Ergebnisse zusammen, ergab sich kein klares Bild. »Es schien, als wäre eine seltsame Mischform vorhanden mit einer d-Welle und vielleicht noch etwas anderem«, sagt Mattoni. »Es gab viele verschiedene Experimente, die immer wieder reproduziert wurden, aber es schien unmöglich, die Ergebnisse miteinander in Einklang zu bringen.«

Mattoni arbeitete im Labor von Yoshiteru Maeno an der Universität Kyoto – jenem Forscher, der die Supraleitung in Strontiumruthenat 1994 mitentdeckt hatte. Gemeinsam suchte die Gruppe nach einem experimentellen Zugang, der die strittige Rolle von Scherung direkter prüfen sollte, als dies Ultraschallmethoden erlauben. Die Forschenden entschlossen sich daher, einen etwas anderen Weg einzuschlagen. »Bisherige Versuche haben stets veränderliche Verformungen untersucht, aber keine statischen«, erklärt der Physiker. Darum wollte er die Auswirkungen von statischen Scherkräften auf das Material untersuchen.

Das war experimentelles Neuland. Bei einer Scherung wird die eine Seite der Probe gegenüber der anderen seitlich verschoben; das Volumen bleibt dabei näherungsweise gleich, doch die Form ändert sich. Für solche Messungen bei Temperaturen um 1,5 Kelvin brauchte die Gruppe Sensorik, die es in dieser Form zunächst nicht gab. Sie entwickelte daher ein eigenes Messsystem, mit dem sich die tatsächlich erzeugte Scherung im Kryostaten bestimmen ließ. »Der schwierigste Schritt war, uns zu vergewissern, dass wir wirklich eine Scherung erzeugen«, sagt Mattoni.

Auch Maeno legte dabei Hand an: »Obwohl er es nicht mehr musste, kam er immer ins Labor und arbeitete auch bei den kleinen Dingen mit«, erzählt Mattoni. So habe er eine Maschine gebaut, die ein Kabel ordentlich zu einer Kupferspule wickelt, die für das Experiment erforderlich war. »So etwas ist einfach seine Leidenschaft.«

Nach einem Jahr intensiver Arbeit konnte das Team endlich die Messungen durchführen. Mithilfe eines Piezo-Elements verformte es eine Strontiumruthenatprobe. Falls ein zweikomponentiger Ordnungsparameter vorliegt, müsste die Verformung des Kristallgitters in der Regel die kritische Temperatur des Materials beeinflussen. Folglich wäre zu sehen, wie sich der Übergang aufpaltet. Genau das hatten vergangene Experimente mit dynamischer Verformung nahegelegt. Doch Mattoni und sein Team maßen nichts. »Die kritische Temperatur blieb stets bei circa 1,5 Kelvin, unabhängig von der Verformung. Das ist extrem rätselhaft.«

Ein solches Verhalten ist am ehesten mit einem einkomponentigen Modell vereinbar und macht einfache homogene zweikomponentige Zustände deutlich unplausibler. Das passt zu früheren Wärmekapazitäts- und Dehnungsexperimenten, die keine klare Aufspaltung des Übergangs gefunden hatten, wie man sie von einem einfachen zweikomponentigen Zustand erwarten würde.

Gelöst ist das Rätsel damit allerdings nicht. Andere Experimente, etwa die Ultraschallbefunde, bleiben weiterhin schwer einzuordnen. Das neue Experiment sagt also weniger, was Strontiumruthenat ist, als vielmehr, was es wohl nicht in einfacher Form ist. Heute deutet vieles darauf hin, dass Strontiumruthenat​ zwar klar unkonventionell ist, aber weder in das alte Bild eines p-Wellen- Supraleiters noch in ein einfaches einheitliches Ersatzmodell passt.

Strontiumruthenat bleibt damit das, was es seit Jahrzehnten ist: ein Material, an dem die Physik sich zugleich festbeißt und weiterlernt. Jede neue Messung schränkt die Möglichkeiten ein – doch die Suche nach der endgültigen Antwort geht weiter.