Das Geheimnis der supraleitenden Kuppel

18. April 2018, 14:06 Uhr
Zusammenhang zwischen der Temperatur, bei der Supraleitung auftritt (vertikale Achse) und der Stärke des elektrischen Feldes (horizontale Achse). Abbildung: PNAS/RUG.
Zusammenhang zwischen der Temperatur, bei der Supraleitung auftritt (vertikale Achse) und der Stärke des elektrischen Feldes (horizontale Achse). Abbildung: PNAS/RUG.
Physiker der Universität Groningen haben mit Kollegen aus Nimwegen und Hongkong eine nur ein Molekül dicke Schicht Wolframdisulfid mit Hilfe eines elektrischen Feldes supraleitende Eigenschaften verliehen. Durch eine stetige Erhöhung der Feldstärke konnten sie zeigen, dass sich das Material sich von einem Isolator in einen Supraleiter und dann wieder zurück in einen Isolator verwandelte. Ihre Messungen zeigen die bekannte typische „kuppelförmige“ supraleitende Phase. Sie waren aber die ersten, die eine Erklärung für dieses Phänomen lieferten. Die Ergebnisse wurden in Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Wolframdisulfid

Unter der Leitung des stellvertretenden Professors an der Universität von Groningen, Justin Ye, verwandelte das Forscherteam mit einem elektrischen Feld eine moleküldicke Schicht Wolframatdisulfid (WS2) in einen Supraleiter. Dieses Material verhält sich normalerweise wie ein Halbleiter: Anfangs, wenn es wenige Ladungsträger gibt, ist WS2 ein Isolator. Das elektrische Feld pumpt Ladungsträger in das isolierende Band, wodurch die Leitfähigkeit erhöht wird. Bei einer ausreichend niedrigen Temperatur kann auf diese Weise auch Supraleitung auftreten.

Temperatur

In dieser Phase nimmt die Temperatur, bei der die Supraleitung noch auftritt, mit zunehmendem elektrischem Feld zu. Wenn aber dieses Feld noch stärker wird, fällt die Temperaturschwelle wieder ab. Diese Art von gewölbten Kurven wurde in den letzten Jahrzehnten bei verschiedenen Supraleitern beobachtet. Sie treten hauptsächlich bei Hochtemperatursupraleitern auf, deren Wirkung die Physiker noch immer vor Rätsel stellt. Kürzlich wurde eine solche Kuppel zum ersten Mal auch bei supraleitenden Materialien entdeckt, die über ein elektrisches Feld „eingeschaltet“ wurden. Ye und seine Kollegen entdeckten jedoch auch, dass das supraleitende Material bei einem noch stärkeren elektrischen Feld wieder zu einem Isolator wird.

Phasendiagramm

Diese vollständige Kurve im Phasendiagramm, vom Isolator zum Supraleiter und zurück zum Isolator, wurde zuvor nicht so deutlich wie im Diagramm ermittelt. Es ist erst geglückt, als ein echtes zweidimensionales Material in Verbindung mit einer ionischen Flüssigkeit verwendet wurde, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das viel stärker war als in früheren Studien. Was normalerweise passiert, wenn Ladungsträger in ein Material mit einer Dicke von mehr als einer Molekülschicht gepumpt wird, ist, dass das elektrische Feld zu einem bestimmten Zeitpunkt blockiert wird. Die WS2-Monoschicht aber lässt das sehr starke elektrische Feld weiterhin passieren. Dadurch konnte die gesamte Kurve sichtbar gemacht werden.

Festsetzen

So konnten die Forscher verstehen, warum diese verschiedenen Phasen auftreten. Sie sind der Ansicht, dass die Ladungsträger durch das starke elektrische Feld im Material festgesetzt werden und sich nicht mehr durch das Material bewegen können. Dadurch wird das Material wieder zu einem Isolator.
 
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