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Supraleitung: Wann Elektronen flüssig werden

Unter bestimmten Bedingungen bewegen sich Elektronen nicht mehr wie einzelne Teilchen, sondern strömen wie Wasser. Die entscheidenden Zutaten sind Quanten der Gitterschwingungen.
Wasser strömt aus der Öffnung eines blauen Rohrs.

Fachleute haben einen bisher nur theoretisch vorhergesagten Zustand nachgewiesen, in dem Elektronen durch einen Supraleiter fließen wie Wasser durch ein Rohr. Wie eine Arbeitsgruppe um Hung-Yu Yang vom Boston College in »Nature Communications« berichtet, entsteht die exotische Flüssigkeit, wenn Elektronen stark mit den Gitterschwingungen des Materials wechselwirken und von diesen ihre komplette an sie abgegebene Energie zurückerhalten. Unter diesen Bedingungen bilden sie zusammen mit den als Phononen bezeichneten Schwingungsquanten eine Flüssigkeit. Das bedeutet, die Elektronen bewegen sich nicht mehr als individuelle Teilchen, sondern in einem gemeinsamen Zustand, der von hydrodynamischen Gleichungen beschrieben wird.

Bisher scheiterte der Nachweis der vorhergesagten Flüssigkeit daran, dass kein Material bei der Supraleitung die nötige Kombination von Eigenschaften aufwies. Damit Elektronen und Phononen aneinanderkoppeln, müssen bestimmte andere Wechselwirkungen, zum Beispiel Streuprozesse der Elektronen untereinander sehr gering werden. Das ist in dem untersuchten Material NbGe2 der Fall. Unter diesen Bedingungen passiert etwas Merkwürdiges: Zwar übertragen die Elektronen weiterhin bei Streuprozessen ihren Impuls an die Phononen der Gitterschwingungen, diese werden jedoch wiederum an den Elektronen gestreut und übertragen den Impuls zurück. Dadurch zirkuliert der Impuls ohne Verluste zwischen Elektronen und Phononen, und statt einer von Streuung und Diffusion bestimmten Bewegung individueller Teilchen beobachtet man nun ein fließendes Material.

Das Team um Yang zeigte die Existenz der exotischen Flüssigkeit anhand dreier Unterschiede zu klassischen Supraleitern. Zum einen erwies sich die effektive Masse der Elektronen als dreimal so hoch wie erwartet, was daran liegt, dass die Phononen dank der Kopplung zur Masse beitragen; zum anderen hatten sich die elektrischen Eigenschaften des Materials verändert. Schließlich zeigen Streuexperimente mit Infrarotstrahlung, dass das Material anders schwingt, als man es im Fall der klassischen Supraleitung erwarten würde. Das ist eine Folge des hydrodynamischen Verhaltens der Elektronen, das sich drastisch von der klassischen Bewegung gestreuter Teilchen unterscheidet. Nun will die Arbeitsgruppe prüfen, ob sich der Supraleiter anders verhält, wenn sein Durchmesser wenige Nanometer beträgt – vergleichbar mit Wasser, das durch ein immer engeres Rohr fließt.

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